一种生物质基多孔硅碳复合材料及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种生物质基多孔硅碳复合材料及制备方法，制备过程分为葛根残留物预处理、喷雾造粒、高温炭化、水热

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基多孔硅碳复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于新型能源材料领域，涉及一种多孔硅碳复合材料及其制备方法，特别涉及一种生物质基多孔硅碳复合负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具有工作电压高、能量密度高、无污染、自放电小、循环寿命长等优点在储能和动力电池领域得到广泛应用。常规石墨类负极碳材料的理论容量仅为372mAh
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g
‑1，实际容量低，振实密度小，使得电极材料的体积能量密度较小，与磷酸铁锂、锰酸锂等正极材料匹配组装成商业电池的能量密度难以满足能源行业日益增高的能量密度要求。加之，其在快速充放电过程中易产生“锂枝晶”导致电池安全隐患。而硅基材料由于其具有高达4200mAh
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g
‑1的理论容量、约0.4V的低电压平台(Li/Li
+
)、高的安全性、优异的低温性能和自然储存丰富等优点成为下一代替代商用新型负极材料。
[0003]然而，硅基材料应用过程中存在的一些问题阻碍了其商业化应用。首先，在充放电过程中，硅基材料在嵌锂和脱锂的时候会产生高达300％的体积膨胀和收缩，会使硅颗粒挤压、粉化，使有效活性材料从集流体上脱落，电极结构被破坏，进而失去电接触引发容量迅速衰减，电池的循环稳定性能变差。其次，体积效应使硅基材料在断裂面不断形成新的、不稳定的SEI膜，造成不可逆容量急增、电池内阻增大、库伦效率变低和导电性变差等问题。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。因而需要对硅基材料的结构进行优化设计以改善和提升其性能。常用的改性方法主要通过硅的纳米化处理来降低硅的体积变化，以及将硅与不同结构的碳基材料复合构建核
‑
壳、蛋黄
‑
壳、多孔等结构来缓解体积变化、增加材料导电性进而改善硅基材料的循环性能。
[0004]为了解决现有硅碳复合负极材料存在的问题，有必要研发一种新的生物质基多孔硅碳复合材料及制备方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述问题，提出了一种生物质基多孔硅碳复合材料及制备方法。
[0006]本专利技术采用葛根残留物作为生物质基，本专利技术针对葛根产业中残留物(表皮、根须和残渣等)残余量大、处理方法单一，附加值低等问题，利用葛根残留物粉末在水中溶胀变粘形成三维多孔碳基材料的特性，在制备复合材料的过程中可用作粘结剂、增稠剂和首次包覆剂，提供了一条葛根残留物资源再利用制备生物质基多孔硅碳复合负极材料及其方法，制得的硅碳复合负极材料具有高容量、高倍率充放电性能、长循环寿命，以及生产成本低等方面的优势。这既为葛根残留物的循环再利用提供了全新技术路线，又解决了新型动力电池负极电极材料来源的问题。
[0007]本专利技术的生物质基多孔硅碳复合材料，以碳水化合物形成的部分石墨化薄包覆碳层均匀分散包覆纳米硅粉并桥接植物纤维形成的三维碳纤维骨架制备得到的三维多孔硅碳复合材料为前驱体，前驱体外包裹有经水热原位二次包覆的热解碳层。前驱体中多空结
构孔径为50nm～5μm，其质量占前驱体质量的50～60％，二次包覆层的质量为前驱体质量的5.0～15.0％。
[0008]本专利技术的生物质基多孔硅碳复合材料结构为：内核为纳米硅粉，纳米硅粉外均匀分散包覆碳水化合物形成的部分石墨化薄包覆碳层，所述纳米硅粉与所述石墨化薄包覆碳层之间桥接植物纤维形成三维碳纤维骨架的三维多孔硅碳复合材料，所述三维多孔硅碳复合材料外层二次包覆热解碳层。
[0009]具体的，一种生物质基多孔硅碳复合材料，所述纳米硅粒子的尺寸为30nm～100nm，其质量占所述三维多孔硅碳复合材料质量的5％～30％；
[0010]所述石墨化薄包覆碳层多空结构孔径为50nm～5μm，其质量占前驱体质量的50％～60％；
[0011]所述二次包覆热解碳层的厚度为5nm～15nm，其质量为前驱体质量的5.0％～15.0％。
[0012]本专利技术提供的以葛根残留物形成生物质基多孔碳材料来制备多孔硅碳复合负极材料的方法，以生产葛根粉时所残留的表皮、根须和过程残渣为原料，经过清洗、粉碎、提纯和干燥得到纯度较高的残留物微粉，残留物微粉和纳米硅粉在醇溶剂作用下均匀分散，搅拌加热，通过调控温度控制葛根残留物微粉的溶胀程度和粘度大小，然后经喷雾造粒、高温热解和粉碎筛分处理制得多孔硅碳复合前驱体，前驱体外再经水热原位二次有机包覆和热解处理后，最终得到生物质基多孔硅碳复合材料。
[0013]本专利技术提供的一种生物质基多孔硅碳复合材料的制备方法，具体步骤为：
[0014]一、制备生物质基多孔硅碳复合前驱体(p
‑
C/Si)
[0015]S1葛根残留物预处理：室温下，将葛根残留物清洗干净后粉碎至粒径为3～5μm的微粉颗粒，并将粉碎后的葛根残留物粉末一步清洗提纯，充分干燥后得到纯净葛根残留物微粉；
[0016]具体如室温下，将葛根残留物用洗洁精做清洗剂搅拌清洗去除表面沙砾和内部残留杂质，然后粉碎至粒径为3～5μm的微粉颗粒，并将粉碎后的葛根残留物粉末在水溶液中用提纯设备进一步清洗提纯，在本领域技术人员可设计一定干燥温度和干燥时间下，将葛根残留物微粉充分干燥，如在温度为80℃～100℃的鼓风烘箱干燥12h～24h，得到纯净葛根残留物微粉；
[0017]本步骤中，所述葛根残留物为生产葛根产品时所残留的表皮、根须、生产残渣的一种或多种；
[0018]所述粉碎方式为机械粉碎、气流粉碎和研磨粉碎中的任意一种，设备可选用机械式粉碎机、辊筒磨粉机、气流粉碎机、研磨机等；
[0019]所述的提纯方式为自然沉降、过滤和离心中的一种，设备可选用真空抽滤机、加压过滤机、离心机、涡旋分离器、带式压榨过滤机、脱水机等；
[0020]本步骤将葛根残留物中的一些表层及内部杂质去除，以防杂质对电极材料的性能产生影响。将残留物粉碎至微粉颗粒，既能更好地进行提纯处理得到纯净原料，又能使微粉颗粒在后期加热溶胀变粘过程更加充分，形成稳定有效的三维多孔结构碳基材料。提纯是为了去除粉碎过程微粉中的一些悬浮杂质得到杂质含量在1％以下的纯净残留物微粉颗粒。
[0021]S2喷雾造粒：将葛根残留物微粉和纳米硅粉按质量比为100：(5.0～30.0)分散于醇溶剂溶液中进行液相机械混合，然后将混合浆料在加热设备中搅拌加热，调节温度控制葛根残留物粉末的溶胀性能来调整浆料的粘稠度，再经喷雾造粒得到生物质基多孔硅碳复合样；
[0022]本步骤中，所述纳米硅粉为30～100nm的硅粉粒子；
[0023]所述醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇的一种或几种；
[0024]所述浆料中混合物质量分数为10～40％；
[0025]所述液相混合转速200～1500r/min，搅拌时间30～120min；
[0026]所述搅拌加热设备为磁力搅拌器，恒温油浴锅与恒温水浴锅的一种；
[0027]所述加热温度范围为50～120℃，搅拌速度为5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质基多孔硅碳复合材料，其特征在于，结构为：内核为纳米硅粉，纳米硅粉外均匀分散包覆碳水化合物形成的部分石墨化薄包覆碳层，所述纳米硅粉与所述石墨化薄包覆碳层之间桥接植物纤维形成三维碳纤维骨架的三维多孔硅碳复合材料，所述三维多孔硅碳复合材料外层二次包覆热解碳层，所述生物质基是葛根残留物。2.如权利要求1所述的一种生物质基多孔硅碳复合材料，其特征在于所述纳米硅粒子的尺寸为30nm～100nm，其质量占所述三维多孔硅碳复合材料质量的5％～30％；所述石墨化薄包覆碳层多空结构孔径为50nm～5μm，其质量占前驱体质量的50％～60％；所述二次包覆热解碳层的厚度为5nm～15nm，其质量为前驱体质量的5.0％～15.0％。3.一种生物质基多孔硅碳复合材料的制备方法，包括一、制备生物质基多孔硅碳复合前驱体(p
‑
C/Si)，二、制备生物质基多孔硅碳复合材料(p
‑
C/Si/C)，其特征在于，一、制备生物质基多孔硅碳复合前驱体(p
‑
C/Si)的具体步骤为：S1葛根残留物预处理：室温下，将葛根残留物清洗干净后粉碎至粒径为3～5μm的微粉颗粒，并将粉碎后的葛根残留物粉末进一步清洗提纯，充分干燥后得到纯净葛根残留物微粉；S2喷雾造粒：将葛根残留物微粉和纳米硅粉按质量比为100：(5.0～30.0)分散于醇溶剂溶液中进行液相机械混合，然后将混合浆料在加热设备中搅拌加热，调节温度控制葛根残留物粉末的溶胀性能来调整浆料的粘稠度，再经喷雾造粒得到生物质基多孔硅碳复合样；S3高温炭化：将生物质基多孔硅碳复合样置于高温气氛炉，在保护性气体气氛下进行热解处理，热解结束待物料冷却后，粉碎得到生物质基多孔硅碳复合前驱体(p
‑
C/Si)。4.如权利要求3所述的生物质基多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯佼，王兴蔚，侯春平，马勇，杨丹，贺超，
申请(专利权)人：博尔特新材料银川有限公司，
类型：发明
国别省市：