本发明专利技术公开了一种化学气相一步合成氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料的方法，按原料组分及其摩尔百分比含量为1～16.5%硅源、82～98.7%碳源、0.2～1.0%催化剂、0.1～0.5%促进剂，称取硅源、碳源、催化剂和促进剂，配成前驱体溶液；然后在惰性气氛保护下，将管式炉升温到600-1200℃，停止通惰性气体，调节氢气为400-1000sccm，将前驱体溶液注入到管式炉中，经过高温反应制得氧化硅/碳纳米管膜状锂电负极材料。本发明专利技术具有操作过程简单、方便、产物形貌均匀的特点，产物具有较高的锂电比容量和良好的循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于纳米复合材料的，特别涉及一种化学气相法一步合成氧化硅/碳纳米管(Si02/CNTs)膜状锂离子电池负极材料。
技术介绍
锂离子电池因其具有工作电压高、循环寿命长、对环境友好等优点，在便携电子设备、电动汽车等方面得到了广泛的应用，也得到了人们越来越多的关注。目前最常用的锂离子电池负极材料为石墨，但石墨负极材料理论比容量较低(372mAh/g)，限制了其在高能量密度领域的应用。因此，一些理论容量较高的负极材料如Sn基、Si基材料也逐渐被开发和重视。Sn基、Si基材料作为锂电负极时，充放电过程中因Li+的嵌入-脱嵌会产生很大的体积变化(约300%)，导致电极材料的粉碎和坍塌，最终严重降低电池的性能。而SiO2作为锂电负极时，充放电过程中生成的Li2O和Li4SiO4会起到缓冲作用，缓解体积变化。晶体SiO2结构和化学性质非常稳定，通常对锂离子表现为惰性。据报道，无定形的SiO2可以作为锂离子电池负极材料。碳纳米管具有良好的机械性能、优异的导电性能以及高的比表面积，制备Si02/CNTs复合材料可以提高SiO2作为锂电负极材料的导电性能，缓冲嵌锂-脱锂过程 中巨大的体积变化，从而提高SiO2作为负极材料时电池的锂电性能。此外，制备纳米SiO2可以缩短Li+和电子的转移距离，从而改善电池的性能。目前，制备Si02/CNTs的方法主要是溶液法，大多采用SiO2粉体和碳源或CNTs和硅酸乙酯为主要原料。液相法制备Si02/CNTs大多经过两步或多步操作，过程比较繁琐，且产物中的CNTs难于分散均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现今技术的不足，提供一种简单快捷地合成Si02/CNTs锂电负极材料的方法。本专利技术采用含硅有机物和含碳有机物分别作为硅源和碳源，化学气相法一步合成Si02/CNTs膜状锂电负极材料。本专利技术通过如下技术方案予以实现。一种化学气相一步合成氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料的方法，具体步骤如下( I)配置前驱体混合溶液按原料组分及其摩尔百分比含量为I 16. 5%硅源、82 98. 7%碳源、O. 2 I. 0%催化剂、O. I O. 5%促进剂，称取硅源、碳源、催化剂和促进剂，超声混合均匀，得到前驱体溶液；所述硅源为硅酸乙酯、硅烷偶联剂和二甲基硅油中的任意一种或多种的混合物；所述碳源为含碳有机物乙醇、丙酮、环己烷、乙醚、苯和正己烷中的任意一种或多种的混合物；所述催化剂为二茂铁、草酸铁、醋酸镍、醋酸钴和钥酸铵中的一种或多种的混合物；所述促进剂为噻吩和水中的一种或两种的混合物；(2)高温合成反应将管式炉在惰性气氛下升温到600 120(TC，停止通惰性气体，输入氢气，调节氢气流量为400 lOOOsccm，将步骤(I)中得到的混合前驱体溶液以2 15ml/h的速率注入管式炉中，经过高温反应制得氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料；惰性气体为氮气、氩气的其中一种或两种的混合气。所述步骤(2)中优选的合成温度范围是1000 1200°C。 所述步骤(2)中优选的混合前驱体溶液的注入速率是6 12ml/h。所述步骤(2)中优选的氢气流量是500 800sccm。本专利技术的有益效果，是以含硅和含碳有机物为主要原料，气相法一步合成微观结构均匀的Si02/CNTs膜状锂离子电池负极材料。本方法操作过程简单方便，产物中的CNTs互相交织成网状，且得到了纳米尺寸的Si02。性能测试结果显示，产物具有较高的比容量和良好的循环性能。附图说明图I为实施例I制备的Si02/CNTs膜X射线衍射谱图；图2为实施例I制备的Si02/CNTs膜的透射显微镜照片；图3为实施例I制备的Si02/CNTs膜中CNTs的高倍透射显微镜照片；图4为实施例I制备的Si02/CNTs膜的比容量-循环性能曲线；图5为实施例2制备的Si02/CNTs膜的扫描显微镜照片；图6为实施例2制备的Si02/CNTs膜的透射显微镜照片。具体实施例方式下面通过实施例对本专利技术作进一步的说明，实施例所用原料均为分析纯原料，具体实施例如下。实施例I(I)称取硅酸乙酯(TEOS) 5. 437g，乙醇 12. 000g，噻吩 O. 110g，二茂铁 0. 353g，超声30min使其混合均匀，得到黄色的前驱体混合溶液。(2)在氩气保护气氛下将管式炉升温到1170°C，停止向炉中通氩气，改通氢气，调节氢气流量为700sCCm，待气体稳定后，将步骤(I)中配置得混合前驱体溶液转移到50ml的注射器中，通过注射泵将前驱体溶液以8ml/h的速率注入反应炉中，一步合成Si02/CNTs锂电负极材料。本专利技术制备的Si02/CNTs复合材料，进行了以下一些表征物相表征采用日本D/max-2500型X射线衍射仪测定产物的物相组成。形貌表征采用荷兰Tecnai G2-F20型场发射透射电子显微镜观察产物微观形貌。性能表征采用NEWARE锂电测试系统进行复合材料电极的锂电性能测试(电压范围为 O. 005-3. 000V)。图I为实施例I制备的Si02/CNTs膜的X射线衍射谱图。20_25°的衍射峰对应于CNT的(002)晶面和SiO2,同时峰的宽化表明SiO2为无定形Si02。44. 5°的衍射峰对应于CNT的(110)晶面。图2为实施例I制备的Si02/CNTs膜的透射显微镜照片。细直CNTs与CNTs束相互交织成网状，纳米SiO2附着于CNT外壁形成复合膜。图3为实施例I制备的Si02/CNTs膜中CNT的高倍透射显微镜照片。CNT为少壁碳纳米管，直径为3-5nm，外壁附着有少量其他形式的碳。图4为实施例I制备的Si02/CNTs膜的比容量-循环性能曲线。Si02/CNTs膜状锂电负极材料在电流密度依次为20mA/g、50mA/g、100mA/g时分别充放电10周，可逆比容量分别为709mAh/g、494mAh/g、317mAh/g。当电流密度升高为200mA/g，循环30周后比容量稳定于106mAh/g。再次将电流密度恢复为50mA/g时，比容量也恢复为445mAh/g，说明制备的·Si02/CNTs膜具有良好的锂电循环性能。同时随着电流密度的升高，材料的比容量减小。实施例2(I)称取 TEOS 5. 446g,乙醇 12. 000g，噻吩 O. 110g，二茂铁 O. 352g，超声 30min 使其混合均匀，得到黄色的前驱体混合溶液。(2)在氩气保护气氛下将管式炉升温到1150°C，停止向炉中通氩气，改通氢气，调节氢气流量为700sCCm，待气体稳定后，将步骤(I)中配置得混合前驱体溶液转移到50ml的注射器中，通过注射泵将前驱体溶液以8ml/h的速率注入反应炉中，一步合成Si02/CNTs锂电负极材料。图5为实施例2制备的Si02/CNTs膜的扫描显微镜照片。产物显微结构均匀，CNTs相互交织，大量的SiO2颗粒与之复合，部分SiO2颗粒有轻微的团聚。图6为实施例2制备的Si02/CNTs膜的透射显微镜照片。产物中的CNT无特定取向，相互交错，直径约为10-20nm,大量的SiO2颗粒与之混合,SiO2颗粒中包裹有极小的深色催化剂Fe颗粒。实施例3(I)称取 TEOS 2. 971g，苯 22. 277g，噻吩 O. 110g，二茂铁 0本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种化学气相一步合成氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料的方法，具体步骤如下：（1）配置前驱体混合溶液按原料组分及其摩尔百分比含量为1～16.5%硅源、82～98.7%碳源、0.2～1.0%催化剂、0.1～0.5%促进剂，称取硅源、碳源、催化剂和促进剂，超声混合均匀，得到前驱体溶液；所述硅源为硅酸乙酯、硅烷偶联剂和二甲基硅油中的任意一种或多种的混合物；所述碳源为含碳有机物乙醇、丙酮、环己烷、乙醚、苯和正己烷中的任意一种或多种的混合物；所述催化剂为二茂铁、草酸铁、醋酸镍、醋酸钴和钼酸铵中的一种或多种的混合物；所述促进剂为噻吩和水中的一种或两种的混合物。（2）高温合成反应将管式炉在惰性气氛下升温到600～1200℃，停止通惰性气体，输入氢气，调节氢气流量为400～1000sccm，将步骤（1）中得到的混合前驱体溶液以2～15ml/h的速率注入管式炉中，经过高温反应制得氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料；惰性气体为氮气、氩气的其中一种或两种的混合气。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：侯峰，常美艳，戴首，万志鹏，董留兵，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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