一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，包括：制成硅酸钠、葡萄糖和氯化钠混合溶液；加热干燥，制得棕色焦糖状前驱体；Ar气氛下升温至650℃煅烧，获得硅酸钠/碳前驱体；利用强酸制弱酸原理，加入HCl至硅酸钠/碳前驱体，制成混合溶液，后续将混合溶液置于170℃烘箱中进行干燥，将样品经过水洗后获得二氧化硅/多孔碳复合材料；将二氧化硅/多孔碳复合材料与镁粉和氯化钠均匀混合，700℃煅烧，经过酸处理、水洗和干燥后获得硅碳复合材料。本发明专利技术可以对碳/二氧化硅复合材料直接还原并成功制备获得了硅碳复合材料。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及镁热还原方法制备锂离子电池硅碳负极材料的技术。

技术介绍

负极材料作为锂离子电池的主要储锂主体，在充放电过程中它实现锂离子的嵌入和脱出。近年来，由于传统碳材料存在着比容量低、首次充放电效率低、有机溶剂共嵌入等不足，促使人们开始了对其他高比容量的非碳材料的开发。硅材料在自然界中资源丰富、价格便宜、更为重要的是硅具有很高的理论容量(可达4200mAh/g)，且作为锂离子电池负极时较石墨材料更安全等优点，因而受到了研究人员的广泛的关注，但是硅材料充放电过程中会产生严重的体积变化，不仅使硅材料产生严重的粉化，还会导致SEI膜在硅与电解液相接触的位置连续不断的形成，从而导致硅电极在循环过程中容量的快速衰减。另外，硅的导电性较差，阻碍了硅负极材料倍率性能的提高。文献中采用复合化，引入导电性好，且体积效应小的活性/非活性基体，制备多相复合材料，从而缓和硅的体积效应，提高硅基负极的循环性能。
目前，硅碳负极材料的制备方法有水热法，参见HuYS,Demir-CakanR,TitiriciMM,etal.,SuperiorstorageperformanceofaSiSiOx/Cnanocompositeasanodematerialforlithium-ionbatteries,AngewandteChemieInternationalEdition,2008,47(9):1645-1649.、化学气相沉积方法等，参见YaoY,McDowellMT,RyuI,etal.,Interconnectedsiliconhollownanospheresforlithium-ionbatteryanodeswithlongcyclelife,NanoLetters,2011,11(7):2949-2954。但是，这些方法生产成本高、产量有限，并且化学气相沉积方法以硅烷作为硅源，硅烷性质活泼，极其容易被氧化，当其与空气接触即发生自燃，有爆炸危险。而镁热还原方法利用2Mg(g)+SiO2(s)——→2MgO(s)+Si(s)原理，参见BaoZ,WeatherspoonMR,ShianS,etal.,Chemicalreductionofthree-dimensionalsilicamicro-assembliesintomicroporoussiliconreplicas,Nature,2007,446(7132):172-175。通过金属镁对二氧化硅进行还原反应。

技术实现思路

本专利技术的目的是针对现有的硅、碳材料自身的不足，提供一种制备硅碳负极材料的方法。本专利技术工艺简单、成本低廉、绿色环保，可以成功制备用作负极材料的硅碳复合材料。本专利技术的技术方案如下：
一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸钠、葡萄糖和氯化钠按照1-1.5:3-4:15-17的质量配比，加入到一定量的去离子水中，制成溶液；
(2)将配置好的溶液加热干燥，制得棕色焦糖状前驱体；
(3)将获得的前驱体进行研磨至细微粉末，置于管式炉中进行煅烧，在Ar气氛中，以8℃/min的速率升温至650℃，并保温2h，获得硅酸钠/碳前驱体。
(4)利用强酸制弱酸原理，加入一定量浓度为37.5％的HCl至硅酸钠/碳前驱体，制成混合溶液，后续将混合溶液置于170℃烘箱中进行干燥，将样品经过水洗后获得二氧化硅/多孔碳复合材料。
(5)将二氧化硅/多孔碳复合材料与镁粉和氯化钠以1:0.8:10质量比进行混合，均匀混合，将混合好的样品放置在管式炉中，在氩气保护气氛下，以5℃/min的升温速度升至700℃，并保温3h，随炉冷却后，将样品经过酸处理、水洗和干燥后获得硅碳复合材料。
本专利技术具有如下优点：本专利技术利用氯化钠作为散热剂，一方面，能够避免了碳化硅的形成；同时，还可以防止硅纳米颗粒在高温下的团聚长大。对碳/二氧化硅复合材料直接还原并成功制备获得了硅碳复合材料。另外该方法工艺简单、绿色环保、成本低廉。
附图说明
图1为复合材料的显微结构。硅/碳纳米复合材料的扫描电子显微图像。
图2为复合材料透射照片。
图3为复合材料的物相表征结果。硅/碳纳米复合材料X射线衍射图谱。
具体实施方式
将1.25g硅酸钠、3.75g葡萄糖、16.75g氯化钠加入到225ml去离子水中进行混合，强力搅拌4h后在80℃条件下烘干12h。随后将干燥获得的前驱体在氩气保护环境下，650℃条件下煅烧2h，获得硅酸钠/碳复合材料。利用强酸制弱酸原理，加入一定量的盐酸，获得硅酸/碳复合材料。然后，在170℃温度下5h干燥，再进行水洗之后获得二氧化硅/多孔碳复合结构。将复合材料与镁粉以1:0.8质量比进行混合，之后加入与复合材料质量比为1:10的氯化钠。将三者均匀混合后置于管式炉中，以5℃/min的升温速率升温至700℃并保温3h，在氩气保护条件下进行镁热还原反应。将获得的样品经过酸处理、水洗之后在80℃进行干燥处理，从而获得锂离子电池硅碳负极材料的方法。
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【技术保护点】
一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，包括以下步骤：(1)将硅酸钠、葡萄糖和氯化钠按照1‑1.5:3‑4:15‑17的质量配比，加入到一定量的去离子水中，制成溶液。(2)将配置好的溶液加热干燥，制得棕色焦糖状前驱体；(3)将获得的前驱体进行研磨至细微粉末，置于管式炉中进行煅烧，在Ar气氛中，以8℃/min的速率升温至650℃，并保温2h，获得硅酸钠/碳前驱体。(4)利用强酸制弱酸原理，加入一定量浓度为37.5％的HCl至硅酸钠/碳前驱体，制成混合溶液，后续将混合溶液置于170℃烘箱中进行干燥，将样品经过水洗后获得二氧化硅/多孔碳复合材料；(5)将二氧化硅/多孔碳复合材料与镁粉和氯化钠以1:0.8:10质量比均匀混合，将混合好的样品放置在管式炉中，在氩气保护气氛下，以5℃/min的升温速度升至700℃，并保温3h，随炉冷却后，将样品经过酸处理、水洗和干燥后获得锂离子电池硅碳负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸钠、葡萄糖和氯化钠按照1-1.5:3-4:15-17的质量配比，加入到一定量的去离子水中，制成
溶液。
(2)将配置好的溶液加热干燥，制得棕色焦糖状前驱体；
(3)将获得的前驱体进行研磨至细微粉末，置于管式炉中进行煅烧，在Ar气氛中，以8℃/min的速
率升温至650℃，并保温2h，获得硅酸钠/碳前驱体。
(4)利用强酸制弱酸原理...

【专利技术属性】
技术研发人员：师春生，袁志男，赵乃勤，刘恩佐，何春年，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12