一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法和应用。通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺‑铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧，制备出硅铜碳纳米杂化材料。本方法采用热聚合，简单易行，操作简便，反应体系没有劣溶剂，避免了传统有机溶剂后处理，绿色环保。材料作为锂离子电池负极材料，性能良好。

Silicon copper carbon nano hybrid material, preparation method and application thereof

The invention discloses a silicon copper carbon nano hybrid material, a preparation method and an application thereof. The copper salt dissolved in polyamine, prepared by solvothermal method polyamine copper nanoparticles composite, and the composite material mixed with epoxy resin mixing, combined with heat curing polymerization by calcination in inert atmosphere, prepared copper silicon carbon nano hybrid materials. The method is simple, easy to operate and has no bad solvent in the reaction system, avoiding the traditional organic solvent post-treatment, and being green and environmental friendly. As the anode material of lithium ion battery, the material has good properties.

【技术实现步骤摘要】
一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法和应用
本专利技术属于高分子材料领域，涉及一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法，以及制备的材料在锂离子电池负极材料中的应用。
技术介绍
硅负极材料具有最高的理论比容量(4200mA·h/g)，是石墨化碳材料的10多倍，而且环境友好、储量非常丰富、价格便宜，是最有希望成为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。然而，硅负极材料商业化应用主要需要解决几大难题。第一，硅负极材料在嵌锂过程中会发生严重的体积膨胀，高达300％，从而导致极片上活性物质粉化并且与集流体失去电接触，极大的影响了硅基负极材料的循环性能；第二，硅本身属于半导体，导电性很差。这些缺点严重阻碍了硅负极材料的商业化。目前，在改善硅负极的方法中，硅基材料的复合化得到了科研工作者的高度关注，它主要是在降低硅活性相体积效应的同时引入导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体，制备多相复合负极材料，通过体积补偿、增加导电性等方式提高材料的长期循环稳定性和倍率性能。因此，我们在硅负极的基础上，引入了具有良好导电性的单质铜和可以缓解硅体积膨胀的碳基质，制备出硅铜碳纳米杂化材料来改善硅负极的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种硅铜碳纳米杂化材料。该硅铜碳纳米杂化材料是通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺-铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧，制备出硅铜碳纳米杂化材料。本专利技术的另一个目的是提供一种硅铜碳纳米杂化材料。本专利技术方法的具体步骤是：步骤(1)、将铜盐加入到装有多元胺的反应瓶中，磁力搅拌0.1～1h；其中铜盐与多元胺的质量体积比为0.01～1g/mL；所述的铜盐为醋酸铜、硝酸铜、氯化铜、溴化铜等铜盐中的一种或者几种；所述的多元胺为聚醚胺D400、聚醚胺D230、乙二胺、异氟尔酮二胺等多元胺中的一种或者几种；步骤(2)、把步骤(1)中反应瓶置于高压反应釜，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，反应完成后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；上述溶剂热反应温度范围为120～200℃，反应时间范围为1～24h；压力为1～100MPa；步骤(3)、将硅纳米粒子加入到环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.1～1h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行固化。硅纳米粒子与环氧树脂的质量比为0.01～0.2：1；硅纳米粒子与多元胺-铜纳米粒子复合材料的质量比为0.02～0.2：1；固化条件为：温度采用120～180℃，反应时间为2～8小时；所述的硅纳米粒子尺寸为10～700nm；所述的环氧树脂为E40-环氧树脂，E42-环氧树脂，E44-环氧树脂，E51-环氧树脂等树脂中的一种或者多种；环氧树脂用量依据多元胺用量以及环氧树脂环氧值计算确定。步骤(4)、将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，惰性气体气氛下煅烧，得到硅铜碳纳米杂化粉体；惰性气体气氛为氩气、氮气、氩气/氢气、氮气/氢气中的一种；所述的煅烧温度为500～1100℃，煅烧时间为1～24h；本专利技术所制得硅铜碳纳米杂化粉体中铜纳米粒子尺寸范围在1nm-20nm。本专利技术的又一个目的是研究得到的硅铜碳纳米杂化材料在锂离子电池负极材料方面的应用，该应用是将硅铜碳纳米杂化材料球磨成细颗粒，加入导电剂和粘接剂，制成半电池。本方法选用多元胺和铜盐溶剂热反应得到铜纳米粒子，铜盐高温高压下分解成氧化铜，多元胺具有一定还原性，在高温下可以将氧化铜还原成铜，尺寸为纳米级。后期经过固化煅烧得到硅铜碳纳米杂化材料，铜纳米粒子和硅纳米粒子能均匀地分散在碳基质中。本方法采用热聚合，简单易行，操作简便，反应体系没有劣溶剂，避免了传统有机溶剂后处理，绿色环保。材料作为锂离子电池负极材料，性能良好。附图说明图1为实施例7中制备的硅铜碳纳米杂化材料的透射电镜图。图2为实施例7中制备的硅铜碳纳米杂化材料锂离子电池性能数据；其中图2.a是循环性能数据图，图2.b是倍率性能数据图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的分析。以下实施例中所使用的硅纳米粒子尺寸为10～700nm；所制备得到的硅铜碳纳米杂化粉体中铜纳米粒子尺寸范围在1nm～20nm。实施例1：步骤(1).首先将1g氯化铜加入到装有1mL乙二胺的聚四氟乙烯瓶子(规格20mL)里，磁力搅拌0.5h；步骤(2).把步骤(1)中聚四氟乙烯瓶子装进不锈钢高压反应釜里，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，120℃下反应24h后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；步骤(3).将0.2g硅纳米粒子加入到10gE-51环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的1g多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌1h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行固化，120℃固化2小时。步骤(4).将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，氩气气氛500℃下煅烧24h，得到硅铜碳纳米杂化粉体。实施例2：步骤(1)、首先将1g硝酸铜加入到装有3mL聚醚胺D230的聚四氟乙烯瓶子(规格20mL)里，磁力搅拌0.1h；步骤(2)、把步骤(1)中聚四氟乙烯瓶子装进不锈钢高压反应釜里，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，200℃反应1h完成后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；步骤(3)、将1g硅纳米粒子加入到5gE40-环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的4g多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.1h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱150℃下进行固化8小时；步骤(4)、将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，氮气气氛下1100℃煅烧1h，得到硅铜碳纳米杂化粉体。实施例3：步骤(1).首先将1g醋酸铜加入到装有10mL聚醚胺D400的聚四氟乙烯瓶子(规格20mL)里，磁力搅拌1h；步骤(2).把步骤(1)中聚四氟乙烯瓶子装进不锈钢高压反应釜里，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，120℃反应24h后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；步骤(3).将0.1g硅纳米粒子加入到10gE42-环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的5g多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.2h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱180℃下进行固化6小时；步骤(4).将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，氩气/氢气气氛下700℃煅烧10h，得到硅铜碳纳米杂化粉体。实施例4：步骤(1).首先将0.5g溴化铜加入到装有1mL异氟尔酮二胺的聚四氟乙烯瓶子(规格20mL)里，磁力搅拌0.4h；步骤(2).把步骤(1)中聚四氟乙烯瓶子装进不锈钢高压反应釜里，并把高压反应釜转移到烘箱中150℃加热10h，反应完成后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；步骤(3).将0.4g硅纳米粒子加入到10gE44-环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的4g多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.6h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行130℃固化4小时；步骤(4).将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，氮气/氢气气氛下800℃煅烧15h本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅铜碳纳米杂化材料，铜纳米粒子尺寸范围在1nm～20nm，其特征在于通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺‑铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种硅铜碳纳米杂化材料，铜纳米粒子尺寸范围在1nm～20nm，其特征在于通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺-铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧制备而成。2.一种硅铜碳纳米杂化材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1)、将铜盐加入到装有多元胺的反应瓶中，磁力搅拌0.1～1h；其中铜盐与多元胺的质量体积比为0.01～1g/mL；步骤(2)、把步骤(1)中反应瓶置于高压反应釜，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，反应完成后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；步骤(3)、将硅纳米粒子加入到环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.1～1h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行固化；硅纳米粒子与环氧树脂的质量比为0.01～0.2：1；硅纳米粒子与多元胺-铜纳米粒子复合材料的质量比为0.02～0.2：1；步骤(4)、将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，惰性气体气氛下煅烧，得到硅铜碳纳米杂化粉体。3.如权利要求2所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚军，方凯，王梅梅，尹珊珊，谢双，朱锦，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33