一种硅基异质结构材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基异质结构材料及其制备和应用，将纳米硅和锗源分散于碳源中得到悬浊液，悬浊液先经过干燥、水热或纺丝处理，再通过焙烧将覆盖在硅锗材料表面的碳源碳化，即得到含有Si、GeO

【技术实现步骤摘要】
一种硅基异质结构材料及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及新材料
，具体涉及一种含有Si、GeO
x
(0≤x≤2)和碳的硅基异质结构材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等优点，被广泛应用于电动汽车、便携电子器件和储能领域。然而，受限于商业化石墨负极较低的质量比容量(372mAh/g)，高能量密度锂离子电池的发展仍然举步维艰。硅具有储量丰富、电位较低和理论比容量较高(4200mAh/g)等优点，被认为是高容量负极的首选材料之一。然而，硅在充放电过程中存在严重的体积变化，导致硅材料的循环寿命较差。为了提高硅负极的循环性能和实际比容量，将硅纳米化或将纳米硅与碳材料复合，可以有效缩短离子扩散动力学，但其较差的导电性仍然导致其在循环过程中严重的体积变化。
[0003]近年来，构筑异质结构材料被认为可有效改善电极材料的电化学动力学和储锂比容量。如专利CN201910477890公布了一种硅锗合金复合材料，可有效降低硅材料在嵌锂过程中的体积变化。然而该复合材料的比容量和循环性能仍然较差。文章(Coordination Engineering Construction of Si@ZnS@N,S
‑
Doped Reduced Graphene Oxide Nanocomposite as Anode Material with Enhanced Lithium Storage Performance)通过将包覆在纳米硅表面的ZIF
‑
8硫化和碳化得到一种Si/ZnS/C异质结构电极，发现ZnS具有与Si不同的电压平台，可为硅的充放电过程提供缓冲；同时ZnS缓冲层的引入不仅可以提升复合材料的离子导电性还可以提升电子导电性，所报道的Si/ZnS/C异质结构电极具有较好的循环性能和倍率性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为解决上述技术问题及不足，提供一种硅基异质结构材料及其制备和应用，该材料中的Si与GeO
x
形成的异质结构，可促进电荷传输，提高材料的充放电稳定性，改善硅在充放电过程中的体积变化；材料中的碳有助于提升材料的导电性，并为硅和GeO
x
循环过程中的体积变化提供缓冲，提升材料的循环性能。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种硅基异质结构材料的制备方法：将纳米硅和锗源分散于碳源中得到悬浊液，悬浊液先经过干燥、水热或纺丝处理，再通过焙烧将覆盖在硅锗材料表面的碳源碳化，即得到含有Si、GeO
x
(0≤x≤2)和碳的硅基异质结构材料。
[0006]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：具体包括以下步骤：
[0007]S1、将纳米硅和锗源混合后进行球磨，球磨后的混合物分散于溶剂中得到混合液，向混合液中加入碳源并进行搅拌，得到悬浊液；
[0008]S2、取S1制得的悬浊液进行干燥处理、水热处理或者纺丝处理，得到中间产物；
[0009]S3、将中间产物进行焙烧处理，焙烧得到的固体经酸浸、洗涤及干燥，即得到含有Si、GeO
x
(0≤x≤2)和碳的硅基异质结构材料。
[0010]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于带有不锈钢针头的注射器中，在电压为10
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30kV，距离为10
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30cm，推进速度为0.00001
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0.001mm/s的条件下，利用铝箔作为收集器进行静电纺丝，所得纤维薄膜置于真空干燥箱中，60
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120℃干燥2
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24h，得到中间产物。
[0011]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于不锈钢反应釜中，80
‑
200℃水热反应2
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72h，然后经离心、洗涤、干燥后得到中间产物。
[0012]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于烘箱中，80
‑
200℃干燥2
‑
72h，得到中间产物。
[0013]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述步骤S3具体为：将中间产物转移至惰性或带有还原性气氛的炉子中，以0.5
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5℃/min的升温速率升至500
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1000℃焙烧2
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12h，然后将焙烧得到的固体用0.1
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5mol/L的酸浸泡2
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48h，再洗涤至滤液呈中性后，60
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150℃干燥10
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24h。
[0014]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述溶剂为水、无水乙醇、N,N
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二甲基甲酰胺中的一种或几种。
[0015]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述步骤S1中待球磨的混合物中还加入有造孔剂，所述造孔剂为可溶性的锌盐、钠盐、钾盐、钴盐、铁盐和铜盐中的一种或几种，纳米硅、锗源和造孔剂的加入质量比为1：0.05
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10：0.01
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5；纳米硅和碳源的加入质量比为1:0.2
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5。
[0016]作为本专利技术一种硅基异质结构材料的制备方法的进一步优化：所述锗源为GeO2、异丙醇锗和Ge中的一种或几种，所述碳源为聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇和聚丙烯腈中的一种或几种。
[0017]一种硅基异质结构材料，Si和GeO
x
(0≤x≤2)均匀分散于碳材料中，由上述制备方法制得。
[0018]上述硅基异质结构材料在制备锂离子电池的负极材料方面的应用。
[0019]本专利技术具有以下有益效果：
[0020]1、本专利技术的硅基异质结构材料中，Si、GeO
x
(0≤x≤2)均匀分散于碳材料中，碳材料有助于提升材料的导电性，并为硅和GeO
x
循环过程中的体积变化提供缓冲，提升材料的循环性能；Si与GeO
x
形成的异质结构，可促进电荷传输，提高材料的充放电稳定性，改善硅在充放电过程中的体积变化。上述两特征使得本专利技术提出的硅碳材料具有优越的电化学性能。
[0021]2、本专利技术的制备工艺简单、适合大规模生产，且制备得到的负极材料具有容量高、首次充放电效率高等特点，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0022]图1为实施例1
‑
3制备得到产物的X射线衍射图；
[0023]图2为实施例4
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8制备得到产物的X射线衍射图；
[0024]图3为实施例9制备得到产物的X本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基异质结构材料的制备方法，其特征在于：将纳米硅和锗源分散于碳源中得到悬浊液，悬浊液先经过干燥、水热或纺丝处理，再通过焙烧将覆盖在硅锗材料表面的碳源碳化，即得到含有Si、GeO
x
(0≤x≤2)和碳的硅基异质结构材料。2.如权利要求1所述硅基异质结构材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、将纳米硅和锗源混合后进行球磨，球磨后的混合物分散于溶剂中得到混合液，向混合液中加入碳源并进行搅拌，得到悬浊液；S2、取S1制得的悬浊液进行干燥处理、水热处理或者纺丝处理，得到中间产物；S3、将中间产物进行焙烧处理，焙烧得到的固体经酸浸、洗涤及干燥，即得到含有Si、GeO
x
(0≤x≤2)和碳的硅基异质结构材料。3.如权利要求2所述硅基异质结构材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于带有不锈钢针头的注射器中，在电压为10
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30kV，距离为10
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30cm，推进速度为0.00001
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0.001mm/s的条件下，利用铝箔作为收集器进行静电纺丝，所得纤维薄膜置于真空干燥箱中，60
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120℃干燥2
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24h，得到中间产物。4.如权利要求2所述硅基异质结构材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于不锈钢反应釜中，80
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200℃水热反应2
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72h，然后经离心、洗涤、干燥后得到中间产物。5.如权利要求2所述硅基异质结构材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：将S1制得的悬浊液置于烘箱中，80
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200℃干燥2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贵龙，赵运霞，李甜甜，郭东磊，毋乃腾，刘献明，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：