【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池新材料，具体涉及一种生物炭/硅复合材料及制备方法与其作为锂离子电池负极的应用。
技术介绍
1、硅具有比容量高(3579mah/g，是石墨～10倍)、工作电压较高(0.2～0.4v vs.li/li+)、地壳储量丰富(27.6％)的特点，是公认当下最理想的新一代高比能锂离子电池阳极材料。然而，硅负极属于合金/去合金化的嵌/脱锂机制，嵌/脱锂过程300％的体积变化会导致颗粒破裂或粉化、脱离集流体失去电连接、不稳定固态电解质界面重组耗锂；而且，硅属于半导体材料，其低的电导率和离子扩散系数降低了锂离子的扩散动力学性能。因此，提升硅基负极材料的结构稳定性和动力学性能是推进应用和发展的关键。
2、玉米芯是一种廉价易得、产量大、具有多孔道结构的生物质原料。我国年产玉米芯超过4500万吨，用于木糖醇、糠醛等高附加值工业利用的仅有350万吨，尽管总体利用率较高，但高产值利用率低，且焚烧为主的利用方式产生了大量污染物。因此，试想若能使得多孔特性玉米芯转化为多孔炭作为锂离子电池硅负极载体，既能解决硅负极体积膨胀问题，也增加了玉米芯的高产值利用率。
3、中国专利cn113611843b报道了一种生物质基多孔硅炭复合材料及制备方法，其是通过以葛根为多孔炭前驱体，采用喷雾造粒与纳米硅复合及水热-原位聚合包覆制备的硅炭；中国专利cn113270580b报道了一种生物炭/硅纳米材料及其制备方法与作为锂离子电池负极的应用，其是通过以稻壳、秸秆、木粉等为多孔炭和活性前驱体，采用改性的生物质与纳米硅混合高温炭化制备的硅
4、综上，非常有必要提供一种生物炭/硅复合材料及制备方法与其作为锂离子电池负极的应用。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的一个或者多个技术问题，本专利技术提供了一种生物炭/硅复合材料及制备方法与其作为锂离子电池负极的应用。
2、本专利技术在第一方面提供了一种生物炭/硅复合材料，所述生物炭/硅复合材料包括玉米芯生物质多孔炭骨架、填充在所述玉米芯生物质多孔炭骨架内的纳米硅以及包覆在填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭骨架表层的双层炭；所述玉米芯生物质多孔炭骨架通过将玉米芯进行造孔得到；所述纳米硅在包含硅烷气体和载气的混合气体中进行沉积得到；所述双层炭依次通过混炼包覆炭和气相沉积包覆炭得到。
3、优选地，在将玉米芯进行造孔时，以磷酸为造孔剂。
4、优选地，所述玉米芯生物质多孔炭骨架的孔壁厚度为10nm～200nm；所述纳米硅的粒径不大于50nm；和/或所述生物炭/硅复合材料的比表面积不大于50m2/g，振实密度不小于0.6g/cm3，粒径d50不大于10μm，耐压性不小于30mpa，电导率不小于10-1s/cm，导锂系数不小于10-12cm2/s，硅含量占比不小于40wt％。
5、本专利技术在第二方面提供了一种生物炭/硅复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
6、(1)将玉米芯进行造孔，得到玉米芯生物质多孔炭粉体；
7、(2)将玉米芯生物质多孔炭粉体置于沸腾床或回转窑内，并往沸腾床或回转窑内通入惰性气体吹起玉米芯生物质多孔炭粉体，然后往沸腾床或回转窑内通入包含硅烷气体和载气的混合气体进行纳米硅沉积，得到填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭；
8、(3)将填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭与沥青混合均匀后置于混炼机中在惰性气体保护下混炼包覆炭，然后置于包含碳源气体和载气的混合气体中气相沉积包覆炭，制得生物炭/硅复合材料。
9、优选地，步骤(1)包括如下子步骤：
10、(a)将玉米芯加入磷酸水溶液中，得到浆料，然后将浆料在室温下搅拌4～8h，经干燥，得到固态混合物；优选的是，所述磷酸水溶液中含有磷酸的质量分数为20～30％，更优选为25％；优选的是，所述玉米芯与所述磷酸水溶液的质量比为1：(15～25)，更优选为1:20；
11、(b)将固态混合物进行热解，得到热解炭；优选的是，所述热解的温度为800～1000℃，时间为1～3h；更优选的是，所述热解的温度为900℃，时间为2h；
12、(c)将热解炭加入盐酸溶液中并在室温下搅拌8～15h，然后加入水静置，经除杂、过滤、干燥和过筛，得到玉米芯生物质多孔炭粉体；优选的是，所述盐酸溶液的浓度为0.5～1.5mol/l，更优选为1mol/l；优选的是，所述热解炭与所述盐酸溶液的质量比为1：(15～25)，更优选为1:20。
13、优选地，在步骤(2)中：在包含硅烷气体和载气的混合气体中，所述硅烷气体的流速为2～4l/min优选为3l/min，所述载气的流速为10～20l/min；和/或所述沉积的温度为500～600℃优选为540℃，所述沉积的时间为2～6h优选为5h。
14、优选地，在步骤(3)中：所述填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭与所述沥青的质量比为100：(10～20)；将填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭与沥青混合均匀的方式为：在线速度为20～40m/s优选为30m/s的混料机中混合0.5～1h；所述混炼机的线速度为1～5m/s优选为2～3m/s；和/或将填充有纳米硅的玉米芯生物质多孔炭与沥青混合均匀后置于混炼机中在惰性气体保护下先在300～350℃混炼2～3h，然后在600～700℃混炼2～4h，以完成混炼包覆炭，优选的是，先在320℃混炼2h，然后在650℃混炼3h，以完成混炼包覆炭。
15、优选地，在步骤(3)中：在包含碳源气体和载气的混合气体中，所述碳源气体的流速为2～4l/min，所述载气的流速为8～12l/min；和/或所述气相沉积包覆炭的温度为550～650℃优选为600℃，所述气相沉积包覆炭的时间为1～2h。
16、本专利技术在第三方面提供了由本专利技术在第二方面所述的制备方法制得的生物炭/硅复合材料。
17、本专利技术在第四方面提供了本专利技术在第一方面所述的生物炭/硅复合材料或由本专利技术在第二方面所述的制备方法制得的生物炭/硅复合材料作为锂离子电池负极的应用。
18、本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
19、(1)本专利技术是以发达孔隙玉米芯为多孔炭前驱体，首先制备结构可控的多孔炭，得到高孔容积生物炭作为骨架，再通过有效孔填充纳米硅技术(硅烷气孔内填充纳米硅技术)以及依次通过干法混炼包覆和气相包覆炭沉积的表层双包覆致密炭技术制备了高载量硅基多孔硅炭，解决了高克容量硅炭的体积膨胀大的问题，高孔隙和改性的多孔炭提升了硅炭的动力学性能和机械性能；本专利技术制得的是一种克容量高、首效高、膨胀低、耐压性能优异的新型锂离子电池生物炭/硅复合材料，一些优选方案制得的生物炭/硅复合材料的首次克容量高达1691mah/g，首效达85％，极片首次不可逆膨胀低至45％，耐压性能大于30mpa，其作为锂离子电池负极，能够明显提本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种生物炭/硅复合材料，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的生物炭/硅复合材料，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的生物炭/硅复合材料，其特征在于：
4.一种生物炭/硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括如下子步骤：
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中：
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中：
9.由权利要求4至8中任一项所述的制备方法制得的生物炭/硅复合材料。
10.权利要求1至3中任一项所述的生物炭/硅复合材料或由权利要求4至8中任一项所述的制备方法制得的生物炭/硅复合材料作为锂离子电池负极的应用。
【技术特征摘要】
1.一种生物炭/硅复合材料，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的生物炭/硅复合材料，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的生物炭/硅复合材料，其特征在于：
4.一种生物炭/硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括如下子步骤：
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：于艳玲，请求不公布姓名，李崯雪，
申请(专利权)人：哈工大郑州研究院，
类型：发明
国别省市：
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