生物质来源的SiO@C复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，将含硅生物质经一步碳化法制备得到SiO@C复合材料，含硅生物质为水葫芦根、水葫芦茎或水葫芦叶中的一种或多种，还提供了上述制备方法制备得到的SiO@C复合材料及其在锂电池负极材料中的应用。该制备方法简单高效、具有低成本、绿色环保的特点，且制备的生物质来源的SiO@C复合材料作为锂电池负极材料时展现出了高反应活性，具有高可逆容量和出色的循环稳定性。循环稳定性。循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
生物质来源的SiO@C复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种生物质来源的SiO@C复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池的广泛应用促进了新能源时代的到来，特别是电动汽车的快速兴起，使得人们对电池续航能力的要求也越来越高。而目前商业石墨负极的实际容量已无限接近其理论容量的极限，以石墨为负极的锂电池的能量密度难以再次提高。因此，人们急需寻找一种新的负极材料用以进一步提高电池能量密度。
[0003]硅材料具有远远高于石墨的理论容量，且安全性好、储量丰富、成本低廉，特别是与碳复合的低价硅复合材料，被认为是安全可靠的新一代高容量锂电池负极材料，其市场份额正在逐步扩大。然而，地壳中绝大多数的硅材料都以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，极强的Si
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O键结合能使得这些硅材料的化学稳定态均为四价(高价态)。因此，不得不投入大量的人力、物力和能源来还原四价硅，得到二价硅。目前占据大部分硅还原市场的工艺方法是碳热还原法，以往的工作表明，生产5.2公斤工业硅消耗44.8公斤标准煤、88.2千瓦时电，并产生123.34公斤二氧化碳，具有极高的能耗和成本。此外，研究表明目前制备的纳米级硅材料可以达到石墨负极容量的10倍左右，但价格却高出约1000倍，低性价比严重阻碍了硅基材料的商业化。
[0004]除了地壳中外，有些生物质材料如稻壳、竹叶、秸秆中也富含硅，可以用于硅碳复合材料的制备，但是这些生物质中的硅均为四价，碳化后得到四价硅与碳复合物，需要还原才能制得二价硅和碳的复合材料，同样具有极高的耗能和成本。
[0005]因此，采用一种工艺简单、能耗低、绿色环保的制备方法制备纳米级的低价硅碳复合材料是一项非常有价值的工作，对于电池级硅产业的发展具有重要意义。

技术实现思路

[0006]为解决现有碳热还原工艺存在的高耗能、高成本、不环保的问题，本专利技术提供了一种生物质来源的SiO@C复合材料及其制备方法和应用。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0008]一方面，本专利技术提供了一种生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，将含硅生物质经一步碳化法制备得到SiO@C复合材料，所述含硅生物质为水葫芦根、水葫芦茎或水葫芦叶中的一种或多种。
[0009]进一步，所述一步碳化法的具体步骤为：将所述含硅生物质在惰性气氛下煅烧得到SiO@C粗样品，并进行除杂，得到所述生物质来源的SiO@C复合材料。
[0010]进一步，煅烧的温度为700～1000℃，时间为4～6h。
[0011]进一步，含硅生物质在煅烧之前先在惰性气氛下进行预烧，得到所述SiO@C预烧样，将SiO@C预烧样研磨后进行煅烧。
[0012]进一步，预烧的温度为350～450℃，预烧时间为3～4h。
[0013]进一步，所述含硅生物质使用前先用去离子水洗涤并烘干。
[0014]进一步，所述除杂的具体操作为：将所述SiO@C粗样品进行酸洗、水洗然后烘干。
[0015]进一步，所述惰性气氛为氩气或氮气。
[0016]另一方面，本专利技术提供了上述方法制备得到的生物质来源的SiO@C复合材料，所得的生物质来源的SiO@C复合材料的SiO纳米粒子附着在碳骨架上，SiO纳米粒子的粒径为0.5～10nm。
[0017]另一方面，本专利技术提供了上述生物质来源的SiO@C复合材料在制备锂电池负极材料中的应用。
[0018]另一方面，本专利技术还提供了一种锂电池负极片，以上述生物质来源的SiO@C复合材料为活性材料制备而成。
[0019]进一步，将活性材料与科琴黑和聚偏氟乙烯混合均匀后涂布在铜箔上干燥后形成所述锂电池负极片，所述生物质来源的SiO@C复合材料、科琴黑和所述聚偏氟乙烯的质量比为7～8:1～2:1。
[0020]本专利技术的原理与有益效果是：
[0021](1)不同于水稻、玉米等生物质内含有的四价硅，水葫芦内天然含有二价硅，因此利用水葫芦作为含硅生物质原料，不需要将硅还原，即可得到二价硅。本专利技术采用一步碳化法制备得到SiO@C复合材料，制备二价硅的工艺耗能比目前的碳热还原法低80％左右，具有低成本、绿色环保的特点。
[0022](2)本专利技术采用水葫芦为硅源，水葫芦具有良好的有机骨架，经过碳化煅烧后，骨架结构得到了良好的保存，因此本专利技术制备的生物质来源的SiO@C复合材料展现出了理想的形态，有利于锂离子的快速存储。
[0023](3)本专利技术制备的生物质来源的SiO@C复合材料作为锂电池负极材料时展现出了高反应活性，具有高可逆容量和出色的循环稳定性。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例1的生物质来源的SiO@C复合材料的SEM图(图1a)、TEM图(图1b和图1c)和SAED图(图1d)；
[0026]图2为本专利技术实施例1的生物质来源的SiO@C复合材料的EDS图；
[0027]图3为本专利技术实施例1生物质来源的SiO@C复合材料制备前后的XPS图，其中图3a为水葫芦茎的XPS图，图3b为制备的生物质来源的SiO@C复合材料的XPS图；
[0028]图4为本专利技术实施例1生物质来源的SiO@C复合材料的容量抽样调查图(图4a)、充放电曲线图(图4b)、长循环性能图(图4c)；
[0029]图5为本专利技术实施例1生物质来源的SiO@C复合材料的能量消耗与CO2排放评估图，其中图5a为生物质来源的SiO@C复合材料的热分析差示扫描量热图，图5b、5c、5d为H2O、CO
和CO2的微分热重曲线及质谱分析图，图5d为总能耗和CO2排放直方图；
[0030]图6为本专利技术实施例2制备的生物质来源的SiO@C复合材料的电化学性能图。
具体实施方式
[0031]以下结合附图及具体实施例对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。
[0032]低价硅质化合物被认为是锂电池的高容量负极材料，然而目前自然界已知的含硅生物质中的硅元素都是以四价的形式存在，利用生物质制备低价硅质化合物需要还原才能得到二价硅。专利技术人在研究过程中发现水葫芦内天然存在二价硅，且硅和碳混合分布，存在硅碳一体的结构。基于上述发现，专利技术人以水葫芦为硅源通过一步碳化法制备得到了生物质来源的SiO@C复合材料。
[0033]具体的制备方法如下：
[0034]将含硅生物质经过一步碳化法制备得到生物质来源的SiO@C复合材料，其中含硅生物质为水葫芦根、水葫芦茎或水葫芦叶中的一种或多种。
[0035]一步碳化法的具体步骤为：先使用去离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，其特征在于，将含硅生物质经一步碳化法制备得到SiO@C复合材料，所述含硅生物质为水葫芦根、水葫芦茎或水葫芦叶中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，其特征在于，所述一步碳化法的具体步骤为：将所述含硅生物质在惰性气氛下煅烧得到SiO@C粗样品，并进行除杂，得到所述生物质来源的SiO@C复合材料。3.根据权利要求2所述的生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，其特征在于，煅烧的温度为700～1000℃，时间为4～6h。4.根据权利要求2所述的生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，其特征在于，所述含硅生物质在煅烧之前先在惰性气氛下进行预烧，得到SiO@C预烧样，将所述SiO@C预烧样研磨后进行煅烧。5.根据权利要求4所述的生物质来源的SiO@C复合材料的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦立强，郭长远，刘子昂，王选朋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：