【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种锂离子电池负极用硅/碳气凝胶复合材料的制备方法，属于锂离子电池负极材料。
技术介绍
1、目前广泛使用石墨作为锂离子电池负极材料，但商业化石墨负极的容量发挥已接近其理论比容量（372 mah/g），所以开发具有更高比容量的负极材料是非常迫切的需要。硅负极具有高理论比容量（4200 mah/g）和较低的电化学嵌锂电位，正好可以满足新能源汽车和储能电池系统等一系列新
发展的需求。
2、在锂离子电池首次充电过程中，有机电解液会在负极表面发生还原分解，形成一层sei膜，不可逆地消耗来自正极的大量li+，导致首次充电效率偏低。现有的石墨材料有5%~10%的首次不可逆锂损耗，而硅材料由于其表面积高于石墨，首次不可逆锂损耗高达15%~35%。此外，硅负极在循环过程中产生的严重体积膨胀，会导致较差的循环寿命和不可逆容量，严重阻碍了其进一步商业化应用。
3、碳负极材料具有良好的循环稳定性和优异的导电性，在一定程度上可以缓冲和适应硅的体积膨胀，故常将碳作为与硅复合的首选基质。在硅碳复合体系中，硅颗粒作为活性物质提供储锂容量。碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善硅系材料的导电性，还能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。硅负极与碳复合材料优势互补，在锂离子电池上表现出高能量密度和长循环寿命，有潜力成为新一代锂离子电池负极材料。
4、授权公告号为cn 109755507 a的专利技术专利，公开了一种锂离子电池硅/碳复合气凝胶负极材料的制备方法，通过二氧化硅气凝胶与过量镁粉反应后经高温反应
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
2、s1、将5.28～7.32质量份果皮切成相同大小的块状，放入含有2.42～3.11质量份三聚氰胺的水溶液中，搅拌使之混匀后浸泡12h，然后置于鼓风干燥箱中完全干燥，得到氮掺杂碳前驱体；
3、s2、将3.85～5.21质量份氮掺杂碳前驱体、1.28～1.74质量份纳米硅加入去离子水中，搅拌使之混匀后转移至反应釜中，将其密闭放置于恒温鼓风干燥箱内，在120～250℃下水热10～20h，得到黑色块状水凝胶；
4、s3、将2.53～3.48质量份黑色块状水凝胶用溶剂洗涤干净后置于冷冻干燥机中，真空干燥处理20～24 h，得到黑色块状气凝胶；
5、s4、1.45～2.06质量份气凝胶经碳化和化学气相沉积后冷却至室温即得到碳层均匀包覆的硅/碳气凝胶复合材料。
6、气凝胶是在凝胶颗粒的空间网状结构中充满气体介质，外表呈固体状的一种三维网络结构材料。在一定条件下碳化后可得到孔隙率发达、轻质多孔、比表面积高、耐热性好、导电能力强的碳气凝胶。它可以直接整块作为电极材料使用，是一种具有发展潜力的锂离子电池负极材料。
7、采用溶胶-凝胶法制备凝胶体，并将硅颗粒分散其中，再经冷冻干燥工艺处理，使样品的体积和结构保持不变，以获得硅颗粒分布均匀且具有多孔结构的气凝胶材料。气凝胶的纳米孔洞结构既可以作为储存硅纳米颗粒的场所，也可以作为li+的迁移路径，加快li+的传输，从而实现材料的高容量和高倍率性能。
8、气凝胶材料碳化后得到碳气凝胶，在碳化过程中，由于三聚氰胺的氮与碳原子的直径相近，氮原子对碳原子的替代使晶格发生的畸变较小，因而相对容易实现氮掺杂。氮的掺杂可以在石墨型碳结构中引入氮原子的孤对电子，促进电荷快速转移，从而增强材料的导电性和化学活性。此外，碳气凝胶的高比表面积能够实现对硅纳米颗粒的均匀分散和高负载，有效缓解循环过程中硅的体积变化。同时硅纳米颗粒可以充分发挥其较高的比容量，使复合材料具有较高的储锂容量和良好的循环稳定性能。采用化学气相沉积进行气相碳包覆，可以提高硅与电解液的相容性，降低充放电过程中硅与电解液直接接触的风险，减少消耗容量。
9、作为上述技术方案的优选，步骤s1中，所述的果皮为橘子皮、柚子皮、西瓜皮、橙子皮中的至少一种。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下100～150r/min搅拌2～5h。
10、作为上述技术方案的优选，步骤s2中，所述的纳米硅的粒度分布范围为10～100nm。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下150～200r/min搅拌0.5～2h。
11、作为上述技术方案的优选，步骤s3中，所述的溶剂为乙醇和/或去离子水。
12、作为上述技术方案的优选，步骤s4中，所述的碳化具体为，在惰性气氛保护下，以5℃/min的升温速率升温至600～800°c并保温1～3h。所述的化学气相沉积具体为，碳化结束后，在惰性气氛保护下通入有机气，以2℃/min的升温速率升温至900～1200°c并保温2～4h。所述的惰性气体为氮气、氩气中的至少一种。所述的有机气为乙炔。
13、作为优选，步骤s2黑色块状水凝胶制备用反应釜包括反应釜主体，还包括环形板、两组弧形板、底座、四组支座、固定板、四组滑杆、四组第一滑块、压板、四组第一弹簧、铰接组件、缓冲组件和连接组件，反应釜主体外侧设置有一组环形板，环形板底部两端分别通过缓冲组件和弧形板顶部滑动套装，并且两组弧形板底部分别通过连接组件和底座顶部连接，底座底部均匀设置有四组支座，固定板底部和底座顶部连接，固定板顶部均匀设置有四组滑槽，并且四组固定板滑槽分别设置有一组滑杆，四组第一滑块分别通过一组滑杆和固定板滑槽滑动连接，四组滑杆外侧一端分别设置有一组第一弹簧，四组第一滑块顶部分别通过铰接组件和压板底部铰接，并且压板顶部和反应釜主体底部紧贴。
14、更优选的，缓冲组件包括多组阻尼杆和多组第二弹簧，环形板底部两端分别设置有一组凹槽，两组环形板凹槽顶部分别均匀和多组阻尼杆顶部连接，两组弧形板顶部分别和多组阻尼杆底部连接，两组弧形板顶部分别和环形板底部凹槽滑动套装，多组阻尼杆外侧分别设置有一组第二弹簧。
15、更优选的，连接组件包括两组弧形块、两组卡块和两组连接螺杆，底座顶部均匀设置有两组弧形块，两组弧形块顶部分别设置有一组卡槽，两组卡块底部分别和弧形块卡槽卡装，两组卡块顶部和弧形板底部连接，并且两组卡块分别与弧形块贯穿式设置有一组螺纹孔，两组连接螺杆分别通过螺纹孔与卡块和弧形块螺纹连接。
16、更优选的，铰接组件包括多组铰座和四组支撑杆，四组第一滑块顶部分别通过一组铰座和支撑杆一端铰接，压板底部均匀通过四组铰座和支撑杆另一端铰接。
17、本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述的果皮为橘子皮、柚子皮、西瓜皮、橙子皮中的至少一种。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下100～150r/min搅拌2～5h。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述的纳米硅的粒度分布范围为10～100nm。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下150～200r/min搅拌0.5～2h。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述的溶剂为乙醇和/或去离子水。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述的碳化具体为，在惰性气氛保护下，以5℃/min的升温速率升温至600～800°C并保温1～3h。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电
7. 根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于： 步骤S2黑色块状水凝胶制备用反应釜，包括反应釜主体（1），其特征在于，还包括环形板（2）、两组弧形板（3）、底座（4）、四组支座（5）、固定板（6）、四组滑杆（7）、四组第一滑块（8）、压板（9）、四组第一弹簧（10）、铰接组件、缓冲组件和连接组件，反应釜主体（1）外侧设置有一组环形板（2），环形板（2）底部两端分别通过缓冲组件和弧形板（3）顶部滑动套装，并且两组弧形板（3）底部分别通过连接组件和底座（4）顶部连接，底座（4）底部均匀设置有四组支座（5），固定板（6）底部和底座（4）顶部连接，固定板（6）顶部均匀设置有四组滑槽，并且四组固定板（6）滑槽分别设置有一组滑杆（7），四组第一滑块（8）分别通过一组滑杆（7）和固定板（6）滑槽滑动连接，四组滑杆（7）外侧一端分别设置有一组第一弹簧（10），四组第一滑块（8）顶部分别通过铰接组件和压板（9）底部铰接，并且压板（9）顶部和反应釜主体（1）底部紧贴。
8.根据权利要求6所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：缓冲组件包括多组阻尼杆（11）和多组第二弹簧（12），环形板（2）底部两端分别设置有一组凹槽，两组环形板（2）凹槽顶部分别均匀和多组阻尼杆（11）顶部连接，两组弧形板（3）顶部分别和多组阻尼杆（11）底部连接，两组弧形板（3）顶部分别和环形板（2）底部凹槽滑动套装，多组阻尼杆（11）外侧分别设置有一组第二弹簧（12）。
9.根据权利要求6所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：连接组件包括两组弧形块（13）、两组卡块（14）和两组连接螺杆（15），底座（4）顶部均匀设置有两组弧形块（13），两组弧形块（13）顶部分别设置有一组卡槽，两组卡块（14）底部分别和弧形块（13）卡槽卡装，两组卡块（14）顶部和弧形板（3）底部连接，并且两组卡块（14）分别与弧形块（13）贯穿式设置有一组螺纹孔，两组连接螺杆（15）分别通过螺纹孔与卡块（14）和弧形块（13）螺纹连接。
10.根据权利要求6所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：铰接组件包括多组铰座（16）和四组支撑杆（17），四组第一滑块（8）顶部分别通过一组铰座（16）和支撑杆（17）一端铰接，压板（9）底部均匀通过四组铰座（16）和支撑杆（17）另一端铰接。
...【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述的果皮为橘子皮、柚子皮、西瓜皮、橙子皮中的至少一种。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下100～150r/min搅拌2～5h。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述的纳米硅的粒度分布范围为10～100nm。所述搅拌使之混匀具体为，在室温下150～200r/min搅拌0.5～2h。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述的溶剂为乙醇和/或去离子水。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s4中，所述的碳化具体为，在惰性气氛保护下，以5℃/min的升温速率升温至600～800°c并保温1～3h。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s4中，所述的化学气相沉积具体为，碳化结束后，在惰性气氛保护下通入有机气，以2℃/min的升温速率升温至900～1200°c并保温2～4h；所述的惰性气体为氮气、氩气中的至少一种。所述的有机气为乙炔。
7. 根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用硅/生物质碳气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于： 步骤s2黑色块状水凝胶制备用反应釜，包括反应釜主体（1），其特征在于，还包括环形板（2）、两组弧形板（3）、底座（4）、四组支座（5）、固定板（6）、四组滑杆（7）、四组第一滑块（8）、压板（9）、四组第一弹簧（10）、铰接组件、缓冲组件和连接组件，反应釜主体（1）外侧设置有一组环形板（2），环形板（2）底部两端分别通过缓冲组件和弧...
【专利技术属性】
技术研发人员：张莹，蔡新辉，袁旭，胡博，
申请(专利权)人：湖州启源金灿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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