利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法技术

本发明专利技术公开了利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法，包括以下步骤：步骤一，材料结构设计；步骤二，配制木质素标准溶液；步骤三，制备第一复合颗粒物；步骤四，均匀分散第一复合颗粒物；步骤五，制备碳外层；步骤六，制备中空层；本发明专利技术通过在纳米硅内核与碳外层间设置中空层，能够为纳米硅内核提供膨胀空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中因膨胀导致的容量衰减问题；本发明专利技术通过试验得出当纳米硅内核、金属沉淀物层和碳外层的重量份数比为10:1:1时，硅碳纳米负极材料的结构最为稳定，性能最优；本发明专利技术所提出的中空结构硅碳纳米负极材料制备方法具有操作简单、可控性好的优点，适于大批量生产。适于大批量生产。适于大批量生产。

【技术实现步骤摘要】
利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体为利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法。

技术介绍

[0002]与传统石墨负极相比，硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V)，硅成为锂离子电池碳基负极升级换代的富有潜力的选择之一。基于当前便携式电子消费产品及纯电动车对于高能量密度电池的需求，具有高容量的硅材料受到了广泛的关注。但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点。硅是半导体材料，自身的电导率较低。在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生300％以上的膨胀与收缩，产生的机械作用力会使材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环性能大大降低。此外，由于这种体积效应，硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。囿于硅的一些理化特性，硅负极产业化应用的进展幅度较慢。与石墨的插层机理不同，硅晶体呈现共价四面体的三维体相结构，通过与锂形成Li
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Si合金的形式进行充放电。Li
‑
Si合金的体积膨胀率高达320％，强大的应力将造成硅颗粒的碎裂，从而从电极片上脱落，造成电池循环稳定性的急剧下降和安全隐患的上升。
[0003]为了解决硅电化学反应过程中的体积膨胀问题，众多方案中，硅颗粒纳米成为必不可少的措施之一。通过降低硅颗粒尺寸，使之纳米化可以有效避免硅因体积效应而导致结构的破坏，进而提升结构稳定性，提高循环性能。
[0004]然而，虽然目前对硅碳负极的改性一定程度上可以改善硅的循环性能，但是并未发挥出硅负极高比容量的优点。因此需对硅碳负极进行进一步的优化，研发出具有高比容量、高库伦效率的负极材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的现有硅基负极材料存在的循环性能差，硅基材料中硅的体积膨胀大容易导致负极材料粉化坍塌，且实际容量较低的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法，包括以下步骤：步骤一，材料结构设计；步骤二，配制木质素标准溶液；步骤三，制备第一复合颗粒物；步骤四，均匀分散第一复合颗粒物；步骤五，制备碳外层；步骤六，制备中空层；
[0007]其中在上述步骤一中，核壳中空结构硅碳纳米负极材料包括纳米硅内核、中空层和碳外层，且碳外层包覆在纳米硅内核的外表面，纳米硅内核与碳外层之间设置有中空层；
[0008]其中在上述步骤二中，将硫酸盐木质素溶解于有机物溶液中，制备出18.5wt％的标准溶液；
[0009]其中在上述步骤三中，将纳米硅内核溶解于金属溶液中，加入碱反应，搅拌，离心水洗得到金属沉积物包覆纳米硅内核的第一复合颗粒物；
[0010]其中在上述步骤四中，将第一复合颗粒物逐渐添加进标准溶液中，使得第一复合颗粒物与木质素的质量比为1:1，添加的同时不停搅拌使得第一复合颗粒物分散均匀，得到浆状物；
[0011]其中在上述步骤五中，将制得的浆状物用外科手术刀均匀涂抹到厚度为127μm的铜箔上，先在室温下干燥后转入真空烤箱干燥12h；干燥后的放入管式炉中煅烧，然后在600℃中保温2h，制得第二复合颗粒物，形成碳外层；
[0012]其中在上述步骤六中，将第二复合颗粒物在酸性条件下反应，除去金属沉积物形成中空层，得到核壳中空结构硅碳纳米负极材料。
[0013]优选的，所述步骤一中，纳米硅内核的直径为30
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50nm。
[0014]优选的，所述步骤一中，纳米硅内核与碳外层的重量份数比为5～10:0.5～2。
[0015]优选的，所述步骤一中，纳米硅内核由硅源通过高温热解法或气相沉积法制得。
[0016]优选的，所述硅源为四氢化硅、三甲基二氯硅烷中的一种。
[0017]优选的，所述步骤二中，有机物为二甲基甲酰胺。
[0018]优选的，所述步骤三中，金属溶液为锌离子溶液、镁离子溶液、铁离子溶液中的一种。
[0019]优选的，所述金属溶液的浓度为0.8～2mol/L。
[0020]优选的，所述步骤五中，煅烧的温度为500～700℃，煅烧的时间为1～4h。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在纳米硅内核与碳外层间设置中空层，能够为纳米硅内核提供膨胀空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中因膨胀导致的容量衰减问题；本专利技术通过试验得出当纳米硅内核、金属沉淀物层和碳外层的重量份数比为10:1:1时，硅碳纳米负极材料的结构最为稳定，性能最优；本专利技术所提出的中空结构硅碳纳米负极材料制备方法具有操作简单、可控性好的优点，适于大批量生产。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的步骤图；
[0023]图2为本专利技术的中空结构硅碳纳米负极材料结构图；
[0024]图3为本专利技术的方法流程图；
[0025]图中：1、纳米硅内核；2、中空层；3、碳外层。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]请参阅图1
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3，本专利技术提供的一种技术方案：
[0028]实施例1：
[0029]利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法，包括以下步骤：
[0030]步骤一，材料结构设计；步骤二，配制木质素标准溶液；步骤三，制备第一复合颗粒物；步骤四，均匀分散第一复合颗粒物；步骤五，制备碳外层；步骤六，制备中空层；
[0031]其中在上述步骤一中，核壳中空结构硅碳纳米负极材料包括纳米硅内核1、中空层2和碳外层3，且碳外层3包覆在纳米硅内核1的外表面，纳米硅内核1与碳外层3之间设置有中空层2；其中，纳米硅内核1是以SiH4为硅源通过高温热解法制备得到直径为20nm的Si小球；硅内核1与碳外层3的重量份数比为5:1；
[0032]其中在上述步骤二中，将硫酸盐木质素溶解于二甲基甲酰胺溶液中，制备出18.5wt％的标准溶液；
[0033]其中在上述步骤三中，将纳米硅内核1溶解于15ml、1mol/L的ZnCl2溶液中，再将5mL浓氨水缓慢添加到Si和ZnCl2的混合溶液中，并不断搅拌，所得到的溶液离心、水洗，得到Si/ZnO小球，即第一复合颗粒物；
[0034]其中在上述步骤四中，将第一复合颗粒物逐渐添加进标准溶液中，使得第一复合颗粒物与木质素的质量比为1:1，添加的同时不停搅拌使得第一复合颗粒物分散均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用木质素制备核壳中空结构硅碳纳米负极材料的方法，包括以下步骤：步骤一，材料结构设计；步骤二，配制木质素标准溶液；步骤三，制备第一复合颗粒物；步骤四，均匀分散第一复合颗粒物；步骤五，制备碳外层；步骤六，制备中空层；其特征在于：其中在上述步骤一中，核壳中空结构硅碳纳米负极材料包括纳米硅内核(1)、中空层(2)和碳外层(3)，且碳外层(3)包覆在纳米硅内核(1)的外表面，纳米硅内核(1)与碳外层(3)之间设置有中空层(2)；其中在上述步骤二中，将硫酸盐木质素溶解于有机物溶液中，制备出18.5wt％的标准溶液；其中在上述步骤三中，将纳米硅内核(1)溶解于金属溶液中，加入碱反应，搅拌，离心水洗得到金属沉积物包覆纳米硅内核(1)的第一复合颗粒物；其中在上述步骤四中，将第一复合颗粒物逐渐添加进标准溶液中，使得第一复合颗粒物与木质素的质量比为1:1，添加的同时不停搅拌使得第一复合颗粒物分散均匀，得到浆状物；其中在上述步骤五中，将制得的浆状物用外科手术刀均匀涂抹到厚度为127μm的铜箔上，先在室温下干燥后转入真空烤箱干燥12h；干燥后的放入管式炉中煅烧，然后在600℃中保温2h，制得第二复合颗粒物，形成碳外层(3)；其中在上述步骤六中，将第二复合颗粒物在酸性条件下反应，除去金属沉积物形成中空层(2)，得到核壳中空结构硅碳纳米负极材料。2.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：易峰，高波，杨博凌，吴有飞，
申请(专利权)人：东莞市和鸿升新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：