纳米硅制造技术

本发明专利技术公开了一种纳米硅

【技术实现步骤摘要】
纳米硅/生物质硬碳/石墨复合负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极材料制备
，具体涉及一种纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]锂离子二次电池具有能量密度高
、
循环寿命长
、
安全可靠等优点，被广泛应用于便携式电子设备，并扩展到电动汽车和储能领域
。
负极材料是锂离子电池重要的组成部分之一，而市面最常见的负极材料为石墨材料，目前商品化石墨类负极材料的可逆比容量已达到
365mAh/g
，接近
372mAh/g
的理论比容量值，提升的空间非常有限，无法满足未来发展的需要
。
硅理论比容量为
4200mAh/g
，是最有潜力的锂离子电池负极材料，但是硅作为负极材料在脱嵌锂时会发生巨大的体积膨胀，从而导致材料的结构坍塌，严重影响了电池的使用寿命；同时，硅的颗粒在充放电时会和电解液反应生成
SEI
膜，降低了电池在充放电时的首次库伦效率
。
[0003]为了解决硅负极材料在充放电过程中引起体积膨胀缩短电池循环性能的问题，目前采用的解决手段主要有：制备核壳结构材料，例如公开号为
CN104953122A
的中国专利技术专利申请，对纳米硅进行碳包覆；制备复合材料，例如栾振兴等人
(
热加工工艺
,2011,40(04):88
‑
89+98)
通过高温热解沥青
、
纳米硅和特殊处理后的碳纳米管，制备了硅
/
碳
/
碳纳米管三元复合的负极活性材料，有效提高了硅负极的循环稳定性
。
然而，上述方法虽然或多或少解决了硅作为负极材料时体积膨胀的问题，但在实际生产中仍然存在原料昂贵
、
工艺复杂
、
制备过程中易引入杂质等问题
。
因此，需要寻找一种操作简便
、
成本低
、
能耗低
、
效率高的制备方法，来获得稳定性好
、
比容量高
、
首次库伦效率高
、
循环性能优异的新型纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料
。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种稳定性好
、
比容量高
、
首次库伦效率高
、
循环性能优异的纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料及其制备方法和应用
。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案
。
[0006]一种纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)
将棕榈果壳粉末
、
纳米硅和螯合剂混合，经干燥，得到凝胶；
[0008](2)
将步骤
(1)
得到的凝胶在
300℃
～
450℃
进行预氧化，经粉碎
、
清洗
、
干燥，得到纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体；
[0009](3)
将步骤
(2)
得到的纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体
、
石墨和粘结剂混合，得到浆料；
[0010](4)
将步骤
(3)
得到的浆料进行喷雾造粒，得到复合材料颗粒；
[0011](5)
将步骤
(4)
得到的复合材料颗粒在
1000℃
～
1600℃
进行碳化，冷却，得到纳米
硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料
。
[0012]上述的制备方法，进一步改进的，所述棕榈果壳粉末与纳米硅的质量比为
10∶1
～5，所述纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体与石墨的质量比为1～
5∶10。
[0013]上述的制备方法，进一步改进的，所述棕榈果壳粉末与纳米硅的质量比为
10∶3
～5，所述纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体与石墨的质量比为
3.5
～
5∶10。
[0014]上述的制备方法，进一步改进的，步骤
(1)
中，所述纳米硅为纳米硅粉和
/
或氧化亚硅，所述螯合剂为柠檬酸
、
草酸
、
磷酸
、
乙二胺四乙酸和聚丙烯酸中的至少一种，所述棕榈果壳粉末与螯合剂的质量比为
1∶3
～5，所述螯合剂采用螯合剂的溶液的形式实施，所述螯合剂的溶液的浓度为
0.5mol/L
～
5mol/L
；所述干燥的温度为
80℃
～
150℃
，所述干燥的时间为
12h
～
72h。
[0015]上述的制备方法，进一步改进的，步骤
(1)
中，所述纳米硅为纳米硅粉，所述螯合剂为柠檬酸和草酸中的至少一种，所述棕榈果壳粉末与螯合剂的质量比为
1∶3
，所述螯合剂的溶液的浓度为
0.5mol/L
～
3mol/L
；所述干燥的温度为
100℃
～
120℃
，所述干燥的时间为
12h
～
24h。
[0016]上述的制备方法，进一步改进的，步骤
(3)
中，所述粘结剂为纤维素
、
聚乙烯醇
、
聚偏氟乙烯
、
聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，所述纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体与粘结剂的质量比为5～
10∶1
，所述粘结剂的采用粘结剂的溶液的形式实施，所述粘结剂的溶液的浓度为
1mol/L
～
10mol/L。
[0017]上述的制备方法，进一步改进的，所述粘结剂为聚乙烯醇，所述聚乙烯醇溶液的浓度为
2mol/L
～
5mol/L。
本专利技术采用的聚乙烯醇，由于其残碳含量相对较高，在后续高温碳化中会形成碳包覆层，更有利于提高复合材料的电化学性能
。
[0018]上述的制备方法，进一步改进的，步骤
(2)
中，所述预氧化的时间为
0.5h
～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将棕榈果壳粉末
、
纳米硅和螯合剂混合，经干燥，得到凝胶；
(2)
将步骤
(1)
得到的凝胶在
300℃
～
450℃
进行预氧化，经粉碎
、
清洗
、
干燥，得到纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体；
(3)
将步骤
(2)
得到的纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体
、
石墨和粘结剂混合，得到浆料；
(4)
将步骤
(3)
得到的浆料进行喷雾造粒，得到复合材料颗粒；
(5)
将步骤
(4)
得到的复合材料颗粒在
1000℃
～
1600℃
进行碳化，冷却，得到纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料
。2.
根据权利要求1所述的纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述棕榈果壳粉末与纳米硅的质量比为
10∶1
～5，所述纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体与石墨的质量比为1～
5∶10。3.
根据权利要求2所述的纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述棕榈果壳粉末与纳米硅的质量比为
10∶3
～5，所述纳米硅
/
生物质硬碳复合材料前驱体与石墨的质量比为
3.5
～
5∶10。4.
根据权利要求1～3中任一项所述的纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，所述纳米硅为纳米硅粉和
/
或氧化亚硅，所述螯合剂为柠檬酸
、
草酸
、
磷酸
、
乙二胺四乙酸和聚丙烯酸中的至少一种，所述棕榈果壳粉末与螯合剂的质量比为
1∶3
～5，所述螯合剂采用螯合剂的溶液的形式实施，所述螯合剂的溶液的浓度为
0.5mol/L
～
5mol/L
；所述干燥的温度为
80℃
～
150℃
，所述干燥的时间为
12h
～
72h。5.
根据权利要求1～3中任一项所述的纳米硅
/
生物质硬碳
/
石墨复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤
(3)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓健秋，简乐，刘文平，王凤，刘鹏，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：