一种纳米多孔制造技术

本发明专利技术公开了一种纳米多孔

【技术实现步骤摘要】
一种纳米多孔Si
‑
M
‑
C复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料，还涉及上述
Si
‑
M
‑
C
复合材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]在锂离子电池中，硅具有理论比容量高
(Li
15
Si4，
3579mAh/g)、
地壳储量丰富等优点，因此，采用硅基负极材料取代传统石墨材料是构建新一代高能量密度锂离子电池的关键技术之一
。
然而，硅基负极材料的商业化应用仍面临巨大的挑战，最大的障碍在于硅材料在脱嵌锂过程中巨大的体积变化
(>300
％
)
，这会导致电极粉化和脱落以及容量的急剧衰减
。
纳米多孔结构具有大量的纳米孔洞，可以有效缓解循环过程中的体积变化，因此，构建纳米多孔结构已成为推进硅基负极材料实用化的关键技术
。
[0003]纳米多孔结构虽然可以有效缓冲体积变化，但这类硅基负极仍存在本征电导率极低
(10
‑5to 10
‑3S cm
‑1)、
固体电解质界面
(SEI)
膜不稳定以及结晶和无定形锂硅合金之间相变带来的不均匀体积变化等问题，这会降低该硅基负极材料的长循环稳定性以及倍率性能
。

技术实现思路
<br/>[0004]专利技术目的：本专利技术目的旨在提供一种纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料，在纳米多孔硅中引入高度均匀分布的金属和碳介质作为双缓冲
/
导电介质能够提升复合硅基负极的电荷传输能力
、
长循环结构稳定性以及电极
/
电解液界面的稳定性；本专利技术另一目的旨在提供上述
Si
‑
M
‑
C
复合材料的制备方法
。
[0005]技术方案：本专利技术所述的纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料，由
Si
骨架以及嵌入在
Si
骨架上的碳纳米颗粒和金属纳米颗粒组成；所述
Si
骨架呈三维网络结构，
Si
骨架中具有大量相互连通的纳米孔
。
[0006]其中，金属纳米颗粒为钴纳米颗粒
、
铁纳米颗粒或镍纳米颗粒中的一种
。
[0007]上述纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)
往两份组成相同的水
、
乙醇
、
正硅酸四乙酯的混合溶液中分别加入金属氯化物和过渡金属氰化物，分别形成金属氯化物溶液
A
和过渡金属氰化物溶液
B
；将等量的酸溶液分别加入溶液
A
和溶液
B
中，反应后分别得到溶液
C
和溶液
D
；
[0009](2)
将等量的六亚甲基四胺水溶液分别加入溶液
C
和溶液
D
中，随后将溶液
C
和溶液
D
混合，直至混合液呈凝胶状态；二氧化硅凝胶的形成过程分成两步，第一步是酸催化形成溶胶，第二步就是六亚甲基四胺相当于碱催化形成凝胶；金属氯化物和过渡金属氰化物会反应形成一种配位聚合物，先把这两种分开在溶液
A
和溶液
B
两个溶液中，最后反应后形成互穿凝胶网络；
[0010](3)
将步骤
(2)
的水凝胶经冷冻干燥得到气凝胶；
[0011](4)
将步骤
(3)
的气凝胶在惰性气氛下热处理，随后将热处理产物和镁粉按混合，
混合均匀后进行镁热处理，镁热处理后产物经酸洗涤
、
干燥得到纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料
。
[0012]其中，步骤
(1)
中，所述乙醇与正硅酸四乙酯的体积比为
1:5
～
5:1
，所述水与正硅酸四乙酯的体积比为
1:1
～
5:1
；酸溶液的加入量按照酸溶液中氢离子和正硅酸四乙酯的摩尔比
1:100
～
1:1000
进行添加
。
[0013]其中，步骤
(1)
中，加入酸溶液后溶液
A
和溶液
B
的反应时间均为1～4小时
。
[0014]其中，步骤
(1)
中，所述金属氯化物为氯化铟
、
三氯化铁
、
氯化钴或氯化镍中的一种；过渡金属氰化物为铁氰化钾
、
亚铁氰化钾
、
钴氰化钾或镍氰化钾中的一种
。
[0015]其中，步骤
(1)
中，所述金属氯化物溶液
A
中，金属氯化物的浓度为
0.03
～
0.15mol/L
；所述过渡金属氰化物溶液
B
中，过渡金属氰化物的浓度为
0.03
～
0.15mol/L。
[0016]其中，步骤
(2)
中，六亚甲基四胺水溶液的加入量按照六亚甲基四胺和正硅酸四乙酯的摩尔比为
1:100
～
1:1000
进行添加
。
[0017]其中，步骤
(2)
中，溶液
C
和溶液
D
的混合体积比为
1:2
～
2:1。
[0018]其中，步骤
(4)
中，惰性气氛下热处理的时间为1～8小时，热处理的温度为
300
～
800℃
；热处理产物和镁粉混合质量比为
1:2
～
2:1
，镁热处理时间为
0.5
～
12
小时，镁热处理气氛为惰性气氛或还原性气氛，镁热处理温度为
600
～
800℃。
[0019]本专利技术以二氧化硅凝胶和氰胶形成的互穿网络凝胶为前驱体，两种凝胶框架
(
结构单元分别为
Si
–
O
–
Si
和
M1–
C≡N
–
M2)
相互穿插形成互穿网络凝胶，从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料，其特征在于：由
Si
骨架以及嵌入在
Si
骨架上的碳纳米颗粒和金属纳米颗粒组成；所述
Si
骨架呈三维网络结构，
Si
骨架中具有大量相互连通的纳米孔
。2.
根据权利要求1所述的纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料，其特征在于：金属纳米颗粒为钴纳米颗粒
、
铁纳米颗粒或镍纳米颗粒中的一种
。3.
权利要求1所述的纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
往两份组成相同的水
、
乙醇
、
正硅酸四乙酯的混合溶液中分别加入金属氯化物和过渡金属氰化物，分别形成金属氯化物溶液
A
和过渡金属氰化物溶液
B
；将等量的酸溶液分别加入溶液
A
和溶液
B
中，反应后分别得到溶液
C
和溶液
D
；
(2)
将等量的六亚甲基四胺水溶液分别加入溶液
C
和溶液
D
中，随后将溶液
C
和溶液
D
混合，直至混合液呈凝胶状态；
(3)
将步骤
(2)
的水凝胶经冷冻干燥得到气凝胶；
(4)
将步骤
(3)
的气凝胶在惰性气氛下热处理，随后将热处理产物和镁粉按混合，混合均匀后进行镁热处理，镁热处理后产物经酸洗涤
、
干燥得到纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料
。4.
根据权利要求3所述的纳米多孔
Si
‑
M
‑
C
复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(1)
中，所述乙醇与正硅酸四乙酯的体积比为
1:5
～
5:1
，所述水与正硅酸四乙酯的体积比为
1:1
～
5:1
；酸溶液的加入量按照酸溶液中氢离子和正硅酸四乙酯的摩尔比
1:100
～
1:1000
进行添加
。5.
根据权利要求3所述的纳米多孔
Si

【专利技术属性】
技术研发人员：吴平，詹自平，江露，周益明，唐亚文，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：