一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法，采用酚醛树脂为主要原料，通过溶胶凝胶

【技术实现步骤摘要】
一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法


[0001]本专利技术属于属于锂离子电池材料制备
，具体涉及一种硅碳负极的多孔炭基体材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]锂离子电池自
20
世纪
70
年代问世以来发展迅速，具有能量密度高
、
循环寿命长等特点，已被广泛应用于便携式电子设备
、
交通工具
、
储能电站等领域，尤其是在新能源汽车领域，近年来对锂离子电池的需求旺盛
。
随着人们对新能源汽车更高续航里程
、
更短充电时间等需求的日益增长，对锂电池的能量密度也提出了更高要求
。
目前，在各种锂离子电池负极材料中，石墨负极占据了主要市场，但石墨的理论容量只有
372mAh/g
，难以满足更高能量密度的需求，需要开发新型负极材料
。
[0003]无机硅材料具有地球元素丰度高
、
安全性好
、
易于工业化等优点
。
作为锂电池负极材料，其巨大的理论比容量
(4200mAh/g)
使得其在制备高性能负极材料时具有得天独厚的优势
。
但硅在充放电时，巨大的体积变化效应
(
＞
300
％
)
使得硅材料在循环过程中会粉化，进而导致电池各项性能的恶化
。
此外，硅还是常见的半导体材料，导电性能差，影响了硅负极材料在锂离子电池中的循环性能
。
[0004]近年来，为了能够利用硅的高比容量，抑制其体积膨胀效应，科研工作者们进行了大量研究，其中，较优的技术路线就是制备硅
/
碳复合材料，同时利用硅的高比容量和碳材料良好的机械性能和导电性
。
[0005]中国专利
CN110098380A
公开了一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，首先采用物理或化学的方法对碳材料的表面进行刻蚀，在碳材料表面形成多个纳米到微米量级的孔洞；然后将制得的带有孔洞的碳材料与一定比例的纳米硅进行混合球磨，将纳米硅嵌入至碳材料的孔洞内部；最后将混合球磨后的材料进行碳包覆处理，得到锂离子电池硅基负极材料
。
该方法采用商业纳米硅作为原料，成本较高，另外，碳材料只是在表面形成了一些孔洞，能够嵌入的纳米硅颗粒有限，且很难均匀进入碳材料的孔隙内，无法完全发挥出硅碳材料优异的性能
。
显然，高孔隙率
、
孔结构分布合理的碳材料是硅碳负极材料性能发挥的基础
。
碳气凝胶具有孔隙率高
、
孔结构可调等优异性质，在硅碳负极领域的应用潜力巨大
。
[0006]在碳气凝胶制备方法方面，中国专利
CN1895770A
公开了“一种碳气凝胶粉末的制备方法”，将含有一定浓度和催化剂比例的间苯二酚
—
甲醛溶液在超声波作用和低温下均匀分散于油相中，在加热和超声波下进行凝胶聚合反应，经过分离
、
清洗得到有机气凝胶粉末，再经过碳活化得到碳气凝胶粉末
。
该方法使用间苯二酚作为原料，成本高，生产过程中会产生大量的有机油需要处理，工艺复杂，不利于规模化生产
。
[0007]综上所述，能否利用较为简单的工艺，制备出高纯度
、
孔结构分布合理的碳气凝胶材料，是提高硅碳负极材料性能的关键
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是针对现有技术存在的工艺复杂
、
生产成本高
、
孔隙率不高
、
孔结构分布不尽合理
、
产品的一致性差
、
纯度不高以及难以规模化生产的难题，而提供一种原料来源广
、
生产工艺简单
、
产品纯度高
、
产品的纯度高
、
孔径大小及分布合理的用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法
。
[0009]为实现本专利技术的上述目的，本专利技术一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法，采用酚醛树脂为主要原料，通过溶胶凝胶
、
破碎
、
干燥
、
分级
、
碳活化
、
除杂
、
研磨等步骤，调整碳气凝胶的孔结构分布，达到硅碳负极领域对碳气凝胶的使用要求
。
具体包括以下工艺
、
步骤实施：
[0010]1)
溶胶－凝胶：将设定量的酚醛树脂
、
甲醛水溶液
、
氢氧化钾和造孔剂进行混合溶解，并在一定温度
T1
下保温一段时间，得到凝胶料；
[0011]该步骤中，酚醛树脂与甲醛的摩尔比一般在
1:1
～
3.5
，以
1:1.5
～
2.5
为宜；酚醛树脂与氢氧化钾的摩尔比一般在
10
～
200:1
，以
40
～
80:1
为佳；所述造孔剂优选十六烷基三甲基溴化铵，造孔剂的添加比例一般为酚醛树脂质量的1～
10
％，以
1.5
～
4.0
％为佳；
[0012]该步骤中，所述的温度
T1
为
60
～
80℃
，保温时间为5～～
15h。
[0013]2)
粉碎：将凝胶料进行粉碎处理，得到一定粒径分布的细粒凝胶料，控制细粒凝胶料
D50
在
100
～
600
μ
m
范围，以
300
～
600
μ
m
为佳
。
[0014]3)
干燥：将细粒凝胶料置于干燥设备中干燥，在一定温度
T2
下，经过一段时间，得到干燥料；
[0015]该步骤中，所述的温度
T2
在
80
～
150℃
为宜，在
85
～
95℃
为佳，干燥时间为
10
～
20h
，控制干燥料含水率
≤1
％
。
[0016]4)
分级：将干燥料通过分级设备进行分级处理，得到分级料，控制分级料粒度
D50
在
300
～
500
μ
m
范围，且
(D90
‑
D10)/D50≤1.5
；
[0017]该步骤中，
D50
在
400...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于采用以下工艺：
1)
溶胶－凝胶：将设定量的酚醛树脂
、
甲醛水溶液
、
氢氧化钾和造孔剂进行混合溶解，并在一定温度
T1
下保温一段时间，得到凝胶料；
2)
粉碎：将凝胶料进行粉碎处理，得到一定粒径分布的细粒凝胶料，控制细粒凝胶料
D50
在
100
～
600
μ
m
范围；
3)
干燥：将细粒凝胶料置于干燥设备中干燥，在一定温度
T2
下，经过一段时间，得到干燥料；
4)
分级：将干燥料通过分级设备进行分级处理，得到分级料，控制分级料粒度
D50
在
300
～
500
μ
m
范围，且
(D90
‑
D10)/D50≤1.5
；
5)
碳化：在一定碳化温度
、
时间和惰性气体保护下，将分级料进行碳化，得到碳化料，碳化温度控制在
600
～
1000℃
范围；
6)
活化：在一定活化温度
、
时间和活化剂气氛下，将碳化料进行活化，得到活化料，活化剂为水蒸气
、
二氧化碳的一种或二者的混合物，活化温度控制在
700
～
1000℃
范围；
7)
除杂：将活化料通过磁选设备，去除铁杂质，得到纯净料；
8)
研磨：对纯净料进行进一步的研磨处理，得到比表面积为
1000
～
3000m2/g
，孔容为
0.3
～
2cm3/g
，平均孔径为
0.5
～
10nm
，小于2纳米的微孔占比为
30
％～
100
％的碳气凝胶材料成品
。2.
如权利要求1所述的一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤
1)
中，酚醛树脂与甲醛的摩尔比为
1:1
～
3.5
，酚醛树脂与氢氧化钾的摩尔比为
10
～
200:1
，所述造孔剂为十六烷基三甲基溴化铵，造孔剂的添加比例为酚醛树脂质量的1～
10
％
。3.
如权利要求2所述的一种用做硅碳负极的碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于：步骤
1)
中，所述的温度
T1
为
60
～
80℃
，保温时间为5～
15h。4.<...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪俊，金亮，潘哲，刘亚辉，
申请(专利权)人：中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：