一种具有核壳结构的氧化亚硅-碳复合纳米粒子的制备方法和应用技术

本发明专利技术为一种具有核壳结构的氧化亚硅

【技术实现步骤摘要】
一种具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米材料领域和电化学储能领域，具体涉及一种作为锂离子电池负极材料的具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子(以下简称SiO
x
/C@C)及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着工业文明的不断推进，锂离子电池(LIB)逐渐成为电动汽车、航空航天和便携式电子产品等领域不可或缺的储能系统。然而，容量仅有372mAh/g的石墨负极却一直阻碍着LIB向更高能量密度的方向发展，因此开发更优异的LIB负极是发展高性能LIB的关键之一(G.Li,J.
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Y.Li,F.
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S.Yue,Q.Xu,T.
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T.Zuo,Y.
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X.Yin,Y.
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G.Guo,Reducing the volume deformation of high capacity SiO
x
/G/C anode toward industrial application in high energy density lithium
‑
ion batteries[J].Nano Energy 2019,60,485
‑
492.)。
[0003]氧化亚硅(SiO
x
，0＜x≤2)作为锂离子电池的负极展现了非常高的容量(～2000mAh/g)，并且硅在地球上占有很高的自然丰度。但是它的进一步实际应用却被其本身低电导率和巨大的体积膨胀(～200％)的特性所制约。究其原因，由于元素氧的存在，它具有较差的电子传输能力；此外，锂离子在插入活性硅的过程中不可避免的造成体积膨胀。这些问题最终会演变成极片电接触失效、活性颗粒剥落、结构破裂等严重问题(J.Sung,N.Kim,J.Ma,J.H.Lee,S.H.Joo,T.Lee,S.Chae,M.Yoon,Y.Lee,J.Hwang,S.K.Kwak,J.Cho,Subnano
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sized silicon anode via crystal growth inhibition mechanism and its application in a prototype battery pack[J].Nature Energy 2021,6,1164
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1175；Y.Cui,Silicon anodes[J].Nature Energy 2021,6,995
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996.)。
[0004]过去的几十年，国内外一系列开创性工作表明，将材料尺寸缩小到纳米级别并与碳结合有望解决上述问题。更详细地说，纳米结构不仅可以有效缩短锂化
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脱锂过程中锂离子的迁移距离，还可以减缓体积膨胀的应力。同时，通过碳包覆和掺杂可以大大提高电导率，加速电子和锂离子的交换和利用。提高循环稳定性并延长电池寿命(Z.Liu,Q.Yu,Y.Zhao,R.He,M.Xu,S.Feng,S.Li,L.Zhou,L.Mai,Silicon oxides:a promising family of anode materials for lithium
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ion batteries[J]Chem.Soc.Rev.2019,48,285
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309)。
[0005]通常来说，为了增加电导率，碳包覆往往是通用的手段，但碳掺杂的作用往往被忽视。尽管通过碳涂层工艺进行包覆，提升了导电率，但是材料内部的纯SiO
x
基质的导电性无法得到保证。这导致活性物质内部的导电性较差，并且致使低效地锂离子传输与利用。然而，对于传统的纳米粒子的合成，SiO
x
常常来自市售的SiO或者通过正硅酸乙酯水解来获得的硅源。因此，难以实现在微观区域甚至是纳米尺度上的碳掺杂，这对于SiO
x
材料本身的发展是不利的。此外，由于一些其他致命的缺陷，使得纳米结构工程转移至实际应用仍有很大的阻碍：(1)传统湿化学合成路线存在条件苛刻、工艺复杂、收率特别低等问题；(2)即使方案用于实际生产，合成阶段不可避免地使用大量溶剂，导致额外的能源消耗和不良的环境问题；(3)大多数具有高比表面积的材料会导致过多的副反应，从而导致初始库仑效率
(ICE)低。因此，迫切需要探索一种简单、无溶剂和可大规模生产的解决方案，合成一种具有更为合理纳米结构的硅和碳复合的LIB负极，以避免使用过程中出现的体积膨胀和导电性差的问题。同时发展一种具有可宏量和可控的绿色制备方法，以达成此种纳米结构材料的实际应用(Z.Xiao,C.Yu,X.Lin,X.Chen,C.Zhang,H.Jiang,R.Zhang,F.Wei,TiO
2 as a multifunction coating layer to enhance the electrochemical performance of SiO
x
@TiO2@C composite as anode material[J],Nano Energy 2020,77,105082；S.Xu,J.Zhou,J.Wang,S.Pathiranage,N.Oncel,P.Robert Ilango,X.Zhang,M.Mann,X.Hou,In Situ Synthesis of Graphene
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Coated Silicon Monoxide Anodes from Coal
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Derived Humic Acid for High
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Performance Lithium
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Ion Batteries,Advanced Functional Materials 2021,31,2101645)。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对当前所有湿化学法合成的纳米结构所存在的不足，即产量低、需要溶剂、含碳量低、工艺复杂等缺点，提出了一种具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法和应用。该方法通过无溶剂溶胶
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凝胶、球磨和碳涂层工艺的策略制备具有核壳SiO
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/C@C纳米结构的硅碳LIB负极；得到的纳米颗粒用于锂电池负极中，可获得优异的循环稳定性。本专利技术无溶剂且宏量、可控，在推动纳米工程接近工业化方面将显示出巨大的潜力和应用价值。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法，该方法包含以下步骤：
[0009](1)将有机硅烷和催化剂在混合，在10～70℃下反应0.1～30小时，干燥后得到聚倍半硅氧烷块状材料；
[0010]其中，催化剂和有机硅烷的体积比例为0.01～10：1；所述的有机硅烷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法，其特征为该方法包含以下步骤：(1)将有机硅烷和催化剂在混合，在10～70℃下反应0.1～30小时，干燥后得到聚倍半硅氧烷块状材料；其中，催化剂和有机硅烷的体积比例为0.01～10：1；所述的有机硅烷是硅氧烷或氯硅烷的一种或多种；所述的催化剂为醋酸、盐酸、硫酸、硝酸、氨水或氢氧化钠溶液；(2)将所得块体材料置于球磨机进行研磨0.1～20小时，得到聚倍半硅氧烷纳米颗粒；其中，得到的纳米粒子尺寸为10
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500nm；球磨机转速为50～1000转/分钟；(3)将聚倍半硅氧烷颗粒在惰性气氛、350～1200℃下热解0.1～20小时，得到SiO
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/C粉末；其中，惰性气体为氮气、氩气中的一种或两种；(4)将SiO
x
/C粉末在管式炉中、混合气氛、350
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1200℃下中进行化学气相沉积0.1～48小时，最终获得具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子；其中，所述的混合气氛为A气体与B气体的混合物；A气体为乙炔、乙烯、甲烷中的一种或多种；B气体为氮气、氩气中的一种或两种；并且，A气体的体积分数为1～72％。2.如权利要求1所述的具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法，其特征为所述的有机硅烷得投料量为公斤级～百公斤级。3.如权利要求1所述的具有核壳结构的氧化亚硅
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碳复合纳米粒子的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，王志远，王小梅，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：