一种硅碳基复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于新能源材料技术领域，具体涉及一种硅碳基复合材料的制备方法及其应用。本发明专利技术使用简易方法制备硅碳基复合材料，将碳酸氢铵、碳源、硅金属化合物混合并在惰性气氛炉中加热保温一定时间，再进行高温热解使其碳化；再取出进行酸洗、沉淀、水洗之后，去除多余溶剂，烘干之后得到碳包覆的硅复合材料，即硅碳基复合材料。其中，使用的硅金属化合物的粒径为0.05～50um，制得的材料稳定性优异。该材料由碳层均匀包覆在硅微粒，可有效缓解硅在脱嵌锂离子时发生的的巨大体积变化，防止在充放电过程中造成电极的碎裂粉化。在改进锂离子电池的比容量、循环性能和倍率性能方面具有显著进步，成本低，适合大规模生产。适合大规模生产。适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳基复合材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体涉及一种硅碳基复合材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来电动汽车和电子产业等的迅速发展带动了一系列的相关产业，锂离子电池也在各个领域中得到快速发展，它以工作电压高、比容量大、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、无污染等优点而受到广泛关注和研究。但是随着发展需要，目前实用的锂离子电池负极活性物质石墨的理论放电比容量仅为372mAh/g，不能满足日益增长的能量密度要求。所以，研究更高能量密度的锂离子电池成为当下热门课题。
[0003]研究发现，硅的理论容量高达4200mAh/g，且硅在嵌锂和脱锂反应中电压平台低，不会在表面析锂，安全性好，受到材料界普遍的关注与研究，是极理想的锂离子电池负极活性物质。但硅在充放电的过程中，体积会发生很大变化，其膨胀率约为300％，易使材料粉化，严重破坏材料结构，导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，使电池循环性能大大降低。且其初次不可逆容量高，限制了其作为锂离子电池负极活性物质的应用。因此，如何更加有效缓解硅体积膨胀，保证硅基负极循环稳定性，获得高比容量、长循环寿命的硅基负极材料，是当前锂电池领域亟待解决的技术热点。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题就是提供一种硅碳基复合材料的制备方法及其应用，所述制备方法简单，可工业化大规模生产，该方法制备的硅碳基复合材料可应用于锂离子电池，作为锂离子电池的负极材料，具有较高的容量、极其稳定的循环性能和优异的倍率性能。采用的技术方案为：
[0005]一种硅碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤(a)，将碳酸氢铵、碳源、硅金属化合物以一定比例混合，然后将物料转移至惰性气氛炉中并加热保温一定时间，使碳源均匀包覆在硅表面，再进行高温热解使其碳化；其中，使用的硅金属化合物的粒径为0.05～50um；
[0007]步骤(b)，将步骤(a)高温热解后的产物取出，进行酸洗、沉淀、水洗之后，去除多余溶剂，烘干之后得到碳包覆的硅复合材料，即硅碳基复合材料。
[0008]优选的，所述步骤(a)中，碳源为葡萄糖、果糖、半乳糖中的任一种。
[0009]优选的，所述步骤(a)中，硅金属化合物为硅化镁、硅化铝、硅化铬、硅化铁、硅化钙或硅化钠合金中的一种或多种的混合。
[0010]优选的，所述步骤(a)中，碳酸氢铵、碳源、硅金属化合物的质量比为(1～100)：(1～100)：100。
[0011]优选的，所述步骤(a)中，热温度为100～1000℃，升温速率为0.1～10℃/min，保温时间为0.1～10h。
[0012]优选的，所述步骤(b)中，取出高温热解后的产物，酸洗采用浓度为0.01％～30％的盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸中的任一种，水洗采用去离子水，水洗3～5次。
[0013]优选的，所述步骤(b)中，干燥温度为60～100℃，干燥时间为1～20h。
[0014]本专利技术所述制备方法得到的硅碳基复合材料，可应用于锂离子电池，作为电池的负极材料使用。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0016]本专利技术使用简易方法制备硅碳基复合材料，制得的材料稳定性优异。该材料由碳层均匀包覆在硅微粒，有效缓解硅在脱嵌锂离子时发生的的巨大体积变化，防止在充放电过程中造成电极的碎裂粉化。
[0017]本专利技术在改进锂离子电池的比容量、循环性能和倍率性能方面具有显著进步，更重要的是其工艺简单，成本低廉，适合大规模生产。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例1制备的硅碳基复合材料的SEM图。
[0019]图2为本专利技术实施例1提供的硅碳基复合材料的首次充放电曲线。
[0020]图3为本专利技术实施例1提供的硅碳基复合材料在0.5A/g的电流密度下的循环曲线。
具体实施方式
[0021]附图仅用于示例性说明；对于本领域的技术人员来说，某些公知常识和现有技术可能省略；为了更好的解释本专利技术，便于理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。本实施例中所使用的水为去离子水。
[0022]实施例1
[0023]本实施例提供一种硅碳基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024](a)称取3g的硅化镁，再取5g碳酸氢铵和0.7g葡萄糖投入反应釜，混合均匀，使反应物充分接触，投入反应釜中，通入Ar气氛，完成后密封；
[0025](b)将密封好的反应釜放置在高温炉中，并以10℃/min的加热速率加热到1000℃并保温10h；
[0026](c)将上述所得的产物加入20mL浓度为8％的盐酸和除去过量的Mg2Si和产生的产物MgO。将上述得到的混合液放入搅拌器中搅拌5min后进行离心，再用去离子水超声清洗，然后再离心。重复此步骤三次。将上述步骤离心后的硅微粒放入真空烘箱中，在60℃的环境下真空干燥12h，最后得到硅碳基粉末。所得产品的SEM如图1所示；
[0027]采用扣式电池测试所得到的硅碳基复合负极材料的电化学性能，以硅碳基复合负极材料为活性物质，采用SBR、CMC作为粘结剂，加入导电乙炔黑，其加入比例为,活性物质:SBR:CMC:乙炔黑＝85：5：5：15，然后充分搅拌，制成负极浆料。再将浆料均匀涂覆在铜箔上，放入烘箱中以60℃烘10h，取出后碾压制得负极片。
[0028]将制得的负极片做锂离子电池的负极，正极材料采用LiMn2O4,以聚丙烯微孔膜为隔膜，电解液为0.5mol/L的碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)(体积比为1：1)，在充满氩气气氛的手套箱内装配成扣式电池。对该扣式电池进行充放电循环测试：硅碳电极的首次充放电曲线如图2所示，可看出首次可逆容量达到了3280mAh/g,首次库伦效率达91.5％；硅碳
基负极材料在1A/g的电流密度下的循环曲线如图3所示，可看出100次充放电循环后比容量达1203mAh/g。
[0029]实施例2
[0030]本实施例提供一种硅碳基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0031](a)称取2g的硅化镁，再取2g碳酸氢铵和0.7g葡萄糖投入反应釜，混合均匀，使反应物充分接触，投入反应釜中，通入Ar气氛，完成后密封；
[0032](b)将密封好的反应釜放置在高温炉中，并以8℃/min的加热速率加热到700℃并保温8h；
[0033](c)将上述所得的产物加入5mL浓度为8％的氢氟酸和除去过量的Mg2Si和产生的产物MgO。将上述得到的混合液放入搅拌器中搅拌5min后进行离心，再用去离子水超声清洗，然后再离心。重复此步骤三次。将上述步骤离心后的硅微粒放入真空烘箱中，在60℃的环境下真空干燥12h，最后得到硅碳基粉末。
[0034]采用扣式电池测试所得到的硅碳基复合负极材料的电化学性能，以硅碳基复合负极材料为活性物质，采用SBR、CMC本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(a)，将碳酸氢铵、碳源、硅金属化合物以一定比例混合，然后将物料转移至惰性气氛炉中并加热保温一定时间，使碳源均匀包覆在硅表面，再进行高温热解使其碳化；其中，使用的硅金属化合物的粒径为0.05～50um；步骤(b)，将步骤(a)高温热解后的产物取出，进行酸洗、沉淀、水洗之后，去除多余溶剂，烘干之后得到碳包覆的硅复合材料，即硅碳基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种硅碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，碳源为葡萄糖、果糖、半乳糖中的任一种。3.根据权利要求1所述的一种硅碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中，硅金属化合物为硅化镁、硅化铝、硅化铬、硅化铁、硅化钙或硅化钠合金中的一种或多种的混合。4.根据权利要求1所述的一种硅碳基复合材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈源，王文胜，闫祥顺，张威，邹贵付，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：