一種制備二氧化硅/多孔碳鋰離子電池負(fù)極材料的方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池由正、負(fù)極材料，電解液，隔膜，集流體，粘結(jié)劑，導(dǎo)電劑，電池殼，極耳等構(gòu)成，其中正負(fù)極和電解液是解決鋰離子電池性能最為關(guān)鍵的技術(shù)。參見吳宇平，袁翔云，董超，段冀淵，鋰離子電池:應(yīng)用與實踐，化學(xué)工業(yè)出版社，2004.而負(fù)極材料作為鋰離子電池的主要儲鋰主體，在充放電過程中它實現(xiàn)鋰離子的嵌入和脫出。
[0003]碳材料在鋰二次電池中的成功應(yīng)用促進(jìn)了鋰離子電池的產(chǎn)生，多種碳材料得到了廣泛的研究。目前，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極材料主要是各種碳材料，參見黃可龍，王兆翔，劉素琴，鋰離子電池原理與關(guān)鍵技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社，2008.包括石墨化碳材料和無定形碳材料，如天然石墨、石墨化中間相碳微珠、軟炭(如焦炭)和一些硬碳等。但是碳材料存在著比容量低、首次充放電效率低、有機(jī)溶劑共嵌入等不足，促使人們開始了對其他高比容量的非碳材料的開發(fā)。
[0004]近年來人們也開始關(guān)注二氧化硅作為電極材料，在過去的幾十年中，二氧化硅一直被認(rèn)為在鋰離子存儲上不具備電化學(xué)活性，直到Gao等人報道了商業(yè)二氧化硅納米顆粒與鋰在O-1V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)且具有400mAh/g的可逆容量，且具有較低的充電電位，參見Gao B,Sinha S,Fleming L,et al.,Alloy format1n in nanostructured silicon,Advanced Materials,2001,13(11):816-819;另外，二氧化娃較娃具有改善的循環(huán)穩(wěn)定性，資源豐富，生產(chǎn)成本低。但是，在鋰化過程中會產(chǎn)生硅納米顆粒，因此二氧化硅在充放電過程中也存在體積膨脹過程，同時二氧化硅導(dǎo)電性差，需引入導(dǎo)電性好，且體積效應(yīng)小的活性/非活性基體與之進(jìn)行復(fù)合，一方面能夠改善其導(dǎo)電性，另一方面還可以提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的二氧化硅、碳材料自身的不足，將二氧化硅與碳材料進(jìn)行復(fù)合，提供一種鋰離子電池負(fù)極材料制備方法。本發(fā)明一方面解決二氧化硅導(dǎo)電性差、體積膨脹的問題，另一方面提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。本發(fā)明工藝簡單、成本低廉、綠色環(huán)保，所制得的二氧化硅/多孔碳納米復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極獲得了良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的倍率性能。
[0006]—種制備二氧化硅/多孔碳鋰離子電池負(fù)極材料的方法，利用硅酸鈉、葡萄糖分別作為硅源和碳源，并采用氯化鈉作為模板，通過熱干的方法獲得穩(wěn)定的三維多孔結(jié)構(gòu)，包括以下4個步驟:
[0007](I)將硅酸鈉、葡萄糖和氯化鈉按照1-1.5:3.5-4:16-18的質(zhì)量配比溶解于去離子水中；
[0008](2)將配置好的溶液干燥，獲得棕色焦糖狀前驅(qū)體。
[0009](3)將獲得的前驅(qū)體進(jìn)行研磨至細(xì)微粉末，進(jìn)行煅燒，在Ar氣氛中，以8°C/min的速率升溫至650°C，并保溫，獲得硅酸鈉/碳前驅(qū)體。
[0010](4)利用強(qiáng)酸制弱酸原理，將硅酸鈉/碳前驅(qū)體置入濃鹽酸，之后在170°C烘箱中進(jìn)行干燥，經(jīng)過水洗后獲得二氧化硅/多孔碳復(fù)合材料。
[0011]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:本發(fā)明改善了二氧化硅的導(dǎo)電性，緩解了其在嵌鋰/脫鋰過程中的體積變化;此外，復(fù)合材料的電化學(xué)性能得到了很好的改善。在100mA/g的電流密度下，循環(huán)50次比容量仍能保持在434mAh/g;同時，其倍率性能也得到很改善，即使在5A/g的電流密度下比容量仍能保持在189mAh/g。另外該實驗方法工藝簡單、綠色環(huán)保、成本低廉。
【附圖說明】
[0012]圖1為復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)。(a)二氧化硅/碳納米復(fù)合材料的掃描電子顯微圖像；
(b)圖(a)的局部放大；(c)，(d)二氧化硅/碳納米復(fù)合材料的透射電鏡圖像。
[0013]圖2為復(fù)合材料中元素分布。(a)二氧化硅在碳基體上的透射照片；(b)，(c)，(d)分別為元素C，Si，O在結(jié)構(gòu)中元素分布。
[0014]圖3為復(fù)合材料的物相表征結(jié)果。(a)二氧化硅/碳納米復(fù)合材料的傅里葉紅外圖譜；(b)二氧化硅/碳納米復(fù)合材料X射線衍射圖譜。
[0015]圖4為二氧化娃/碳納米材料的電化學(xué)性能(a)循環(huán)性能；(b)倍率性能。
【具體實施方式】
[0016]將1.25g硅酸鈉、3.75g葡萄糖、16.75g氯化鈉加入到225ml去離子水中進(jìn)行混合，強(qiáng)力攪拌4h后在80°C條件下烘干12h。隨后將干燥獲得的前驅(qū)體在氬氣保護(hù)環(huán)境下，650°C條件下煅燒2h，獲得硅酸鈉/碳復(fù)合材料。利用強(qiáng)酸制弱酸原理，加入一定量的鹽酸，獲得硅酸/碳復(fù)合材料。然后，在170°C溫度下5h干燥，再進(jìn)行水洗之后最終獲得二氧化硅/多孔碳復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項】
1.一種制備二氧化硅/多孔碳鋰離子電池負(fù)極材料的方法，利用硅酸鈉、葡萄糖分別作為硅源和碳源，并采用氯化鈉作為模板，通過熱干的方法獲得穩(wěn)定的三維多孔結(jié)構(gòu)，包括以下4個步驟: (1)將硅酸鈉、葡萄糖和氯化鈉按照1-1.5:3.5-4:16-18的質(zhì)量配比溶解于去離子水中； (2)將配置好的溶液干燥，獲得棕色焦糖狀前驅(qū)體。 (3)將獲得的前驅(qū)體進(jìn)行研磨至細(xì)微粉末，進(jìn)行煅燒，在Ar氣氛中，以8°C/min的速率升溫至650°C，并保溫，獲得硅酸鈉/碳前驅(qū)體； (4)利用強(qiáng)酸制弱酸原理，將硅酸鈉/碳前驅(qū)體置入濃鹽酸，之后在170°C烘箱中進(jìn)行干燥，經(jīng)過水洗后獲得二氧化硅/多孔碳復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備二氧化硅/多孔碳鋰離子電池負(fù)極材料的方法，包括以下4個步驟：將硅酸鈉、葡萄糖和氯化鈉按照1-1.5：3.5-4：16-18的質(zhì)量配比溶解于去離子水中；將配置好的溶液干燥，獲得棕色焦糖狀前驅(qū)體。將獲得的前驅(qū)體進(jìn)行研磨至細(xì)微粉末，進(jìn)行煅燒，在Ar氣氛中，以8℃/min的速率升溫至650℃，并保溫，獲得硅酸鈉/碳前驅(qū)體。利用強(qiáng)酸制弱酸原理，將硅酸鈉/碳前驅(qū)體置入濃鹽酸，之后在170℃烘箱中進(jìn)行干燥，經(jīng)過水洗后獲得二氧化硅/多孔碳復(fù)合材料。本發(fā)明所制得的二氧化硅/多孔碳納米復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極獲得了良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的倍率性能。
【IPC分類】H01M4/583, H01M4/38, H01M10/0525, H01M4/139
【公開號】CN105633406
【申請?zhí)枴緾N201610133133
【發(fā)明人】師春生, 袁志男, 趙乃勤, 劉恩佐, 何春年
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月9日