一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法，其制备方法为：首先制备二氧化硅

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体的说是一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着市场化对高比能量密度锂离子电池需求的增加，要求锂离子电池负极材料具有高的比容量和低的膨胀，而目前市场上的锂离子电池负极大多采用石墨为原料，然而石墨的理论容量仅为372mAh/g，己经难以满足市场对负极更高的要求。硅材料因其高达4200mAh/g的理论容量、较低的脱锂电位及丰富的储存量等优势受到研究者一致重视。但是，硅在充放电过程中产生巨大的体积变化，及其低材料的导电率，影响其倍率性能和循环性能。而降低硅碳材料膨胀的措施主要有硅的纳米化、多孔化及碳包覆，但是其降低材料膨胀的同时，材料的首次效率偏低，电子导电率没有得到改善，同时硅内核与碳外壳之间在长期循环过程中容易出现材料剥离，影响其循环性能。而三维多孔技术一方面可以更好地容纳循环过程中硅的多方向体积膨胀，同时多维结构可以增加体积膨胀的维度，从而降低硅在垂直于电极方向的膨胀，并利用硅与碳复合技术提高其材料的电子导电率。

技术实现思路

[0003]为降低硅碳材料的膨胀及其提升循环性能，本专利技术通过水热法将纳米硅分散在二氧化硅
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聚合物纳米纤维形成的网络层间，并利用偶联剂的作用形成的网络结构，得到硅碳复合材料，其复合材料具有孔隙率高、比表面积大、膨胀率低以及比容量高等特性。
[0004]本专利技术提供了一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法，包括：（1）二氧化硅
‑r/>聚合物纳米纤维的制备：将聚合物、硅源溶解于有机溶剂中，得到前驱体溶液，之后进行静电纺丝，并在真空条件下干燥，得到二氧化硅
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聚合物纳米纤维，其中各成分的质量比为聚合物:硅源:有机溶剂=（1～10）:（1～10）:100；（2）三维多孔硅碳复合材料的制备：将二氧化硅
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聚合物纳米纤维分散在硅烷偶联剂的有机溶剂中，之后添加纳米硅和碳纳米管进行分散，并转移到高压反应釜中，在温度为100～200℃反应1～6h，之后采用1wt%稀盐酸进行清洗，并冷冻干燥，得到二氧化硅/纳米硅复合材料B，之后转移到氟化铵与水的混合液中浸泡24～72h，之后过滤、真空干燥，并在惰性气氛下，以升温速率为1～10℃/min升温到600～1000℃，并保温1～24h，之后在惰性气氛下自然降温到室温，之后球磨、粉碎得到三维多孔硅碳复合材料，其中各成分的质量比为二氧化硅
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聚合物纳米纤维:硅烷偶联剂:纳米硅:碳纳米管:有机溶剂=（10～20）:（0.5～2）:（1～5）:（0.5～2）:500。
[0005]在本专利技术的优选实施方案中，步骤（1）中的聚合物为聚乙烯醇、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯吡咯烷酮。
[0006]在本专利技术的优选实施方案中，步骤（1）中的硅源为正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、
二乙氧基二甲基硅烷、正硅酸四丙酯、正硅酸四丁酯或四氯化硅。
[0007]在本专利技术的优选实施方案中，步骤（1）和步骤（2）中的有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇、N，N
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二甲基甲酰胺或N
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甲基吡咯烷酮。
[0008]在本专利技术的优选实施方案中，步骤（2）中的硅烷偶联剂为γ
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氨丙基三乙氧基硅烷、γ
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（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷或γ
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(2,3
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环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
[0009]在本专利技术的优选实施方案中，步骤（2）中，冷冻干燥的温度为
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50~
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20℃，时间是24~72小时。
[0010]有益效果：本专利技术通过将静电纺丝将聚合物与各种硅源相结合，形成的纳米二氧化硅纤维强度高、孔隙合适，为之后纳米硅的嵌入提供合适的空间，并大大缓解充放电过程中的硅的膨胀，提高其循环性能。同时利用纳米硅填充在二氧化硅纤维层间，提升材料的振实密度和接触面积，降低其电子阻抗，并利用偶联剂在纳米硅与二氧化硅之间的桥梁作用，提升纳米硅与二氧化硅之间的结合力。
附图说明
[0011]通过参照对本专利技术的实施方案的图示说明可以更好地理解本专利技术，在附图中：图1为实施例1制备出的三维多孔硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0012]实施例11） 二氧化硅
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聚合物纳米纤维的制备：将5g聚乙烯醇、5g正硅酸乙酯溶解于100ml乙二醇有机溶剂中，得到前驱体溶液，之后进行静电纺丝，并在50℃真空条件下干燥48h，得到二氧化硅纳米纤维；2）三维多孔硅碳复合材料的制备：将15g二氧化硅纳米纤维分散在500ml、浓度为0.2wt%γ
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氨丙基三乙氧基硅烷的乙二醇有机溶剂中，之后添加3g纳米硅和1g碳纳米管，之后转移到高压反应釜中，并在温度为150℃反应3h，之后采用1wt%稀盐酸进行清洗3次，并在
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30℃冷冻干燥48h，得到二氧化硅/纳米硅复合材料B；之后转移到氟化铵与水（体积比为1:1）的混合液中浸泡48h，之后过滤、真空干燥，并在氩气惰性气氛下，以升温速率为5℃/min升温到700℃，并保温12h，之后在氩气惰性气氛下自然降温到室温，之后球磨、粉碎得到三维多孔硅碳复合材料。
[0013]实施例21） 二氧化硅
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聚合物纳米纤维的制备：将1g聚氧化乙烯、1g正硅酸四丁酯溶解于100ml异丙醇有机溶剂中，得到前驱体溶液，之后进行静电纺丝，并在50℃真空条件下干燥48h，得到二氧化硅纳米纤维；2）三维多孔硅碳复合材料的制备：将10g二氧化硅纳米纤维分散在500ml、0.1wt%γ
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（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷的异丙醇有机溶剂中，之后添加1g纳米硅和0.5g碳纳米管，之后转移到高压反应釜中，并在温度为100℃反应6h，之后采用1wt%稀盐酸进行清洗3次，并在
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50℃冷冻干燥72h，得到二氧化硅/纳米硅复合材料B；之后转移到氟化铵与水（体积比为1:1）的混合液中浸泡24h，
之后过滤、真空干燥，并在氩气惰性气氛下，以升温速率为1℃/min升温到600℃，并保温24h，之后在氩气惰性气氛下自然降温到室温，之后球磨、粉碎得到三维多孔硅碳复合材料。
[0014]实施例31） 二氧化硅
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聚合物纳米纤维的制备：将10g聚乙酸乙烯酯、10g四氯化硅溶解于100mlN,N
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二甲基甲酰胺有机溶剂中，得到前驱体溶液，之后进行静电纺丝，并在50℃真空条件下干燥48h，得到二氧化硅纳米纤维；2）三维多孔硅碳复合材料的制备：将20g二氧化硅纳米纤维分散在500ml、0.4wt%γ
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(2,3
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环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的N,N
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二甲基甲酰胺有机溶剂中，之后添加5g纳米硅和2g碳纳米管，之后转移到高压反应釜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）二氧化硅
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聚合物纳米纤维的制备：将聚合物、硅源溶解于有机溶剂中，得到前驱体溶液，之后进行静电纺丝，并在真空条件下干燥，得到二氧化硅
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聚合物纳米纤维，其中各成分的质量比为聚合物:硅源:有机溶剂=（1～10）:（1～10）:100；（2）三维多孔硅碳复合材料的制备：将所述二氧化硅
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聚合物纳米纤维分散在硅烷偶联剂的有机溶剂中，之后添加纳米硅和碳纳米管进行分散，并转移到高压反应釜中，在温度为100～200℃反应1～6h，之后采用1wt%稀盐酸进行清洗，并冷冻干燥，得到二氧化硅/纳米硅复合材料B，之后转移到氟化铵与水的混合液中浸泡24～72h，之后过滤、真空干燥，并在惰性气氛下，以升温速率为1～10℃/min升温到600～1000℃，并保温1～24h，之后在惰性气氛下自然降温到室温，之后球磨、粉碎得到三维多孔硅碳复合材料，其中各成分的质量比为二氧化硅
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聚合物纳米纤维:硅烷偶联剂:纳米硅:碳纳米管:有机溶剂=（10～20）:（0.5～2）:（1～5）:...

【专利技术属性】
技术研发人员：周萨，韩松，要夏晖，
申请(专利权)人：格龙新材料科技常州有限公司，
类型：发明
国别省市：