CN108511734A - 硅碳复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池材料技术领域,具体涉及一种硅碳复合材料的制备方法。该制备方法包括如下步骤:提供硅纳米颗粒和有机高分子材料;其中,所述有机高分子材料含有羟基;将所述硅纳米颗粒和所述有机高分子材料混合处理,得到所述有机高分子材料包裹所述硅纳米颗粒的前驱体;将所述前驱体进行热交联处理,得到热交联复合材料;将所述热交联复合材料热解处理,得到所述硅碳复合材料。该制备方法优化了硅碳复合材料的合成路线,降低了合成成本,而且最终制得的硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料,提高了其机械强度和循环过程中的稳定性,从而增加电池循环性能寿命。

Description

硅碳复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于电池材料技术领域,具体涉及一种硅碳复合材料的制备方法。
背景技术
近年来,锂电池的使用越来越广泛,这对锂电池质量和体积能量密度的再度提高既是机遇也是挑战,传统的石墨负极材料作为锂离子电池至关重要的部分,容量已经达到了它的理论值。研究发现,硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V),且硅的电压平台略高于石墨,在充电时难引起表面析锂,安全性能更好,使硅成为锂离子电池负极强有力的替代者。但是,硅在电化学循环过程中,锂离子的嵌入和脱出会使材料体积巨大的膨胀与收缩,造成结构坍塌,导致电极活性物质与集流体脱离;此外,由于这种体积效应,硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜;导致电池循环性能大大降低,加剧了硅的腐蚀和容量衰减。
针对硅的这些缺点,目前的主流的解决措施是将硅分散在碳质基体中得到硅碳复合材料,为硅体积膨胀提供缓冲空间,提高硅与锂之间的电荷传递反应,提高整体材料的导电性。近来,合成硅碳复合材料的方法主要有化学沉积法、湿法球磨、喷雾干燥、溶剂热等方法。其中化学沉积法虽然得到的硅碳复合材料均一,但成本较高,且合成路线较复杂;而球磨法、溶剂热法等虽然合成方法简便,但合成硅碳复合材料作为电池负极材料结构强度低、循环稳定性差。因此,现有技术有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种硅碳复合材料的制备方法,旨在解决现有硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料结构强度低、循环稳定性差的技术问题。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供一种硅碳复合材料的制备方法,包括如下步骤:
提供硅纳米颗粒和有机高分子材料;其中,所述有机高分子材料含有羟基;
将所述硅纳米颗粒和所述有机高分子材料混合处理,得到所述有机高分子材料包裹所述硅纳米颗粒的前驱体;
将所述前驱体进行热交联处理,得到热交联复合材料;
将所述热交联复合材料热解处理,得到所述硅碳复合材料。
本发明提供的硅碳复合材料的制备方法,首先用含有羟基的有机高分子材料包裹住硅纳米颗粒,然后通过热交联作用,使该有机高分子材料内的羟基发生交叉连接作用,这样牢牢包裹住硅纳米颗粒,最后通过热解处理碳化后,得到硅碳复合材料;这样的制备方法优化了硅碳复合材料的合成路线,降低了合成成本,而且最终制得的硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料,提高了其机械强度和循环过程中的稳定性,从而增加电池循环性能寿命。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种硅碳复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S01:提供硅纳米颗粒和有机高分子材料;其中,所述有机高分子材料含有羟基;
S02:将所述硅纳米颗粒和所述有机高分子材料混合处理,得到所述有机高分子材料包裹所述硅纳米颗粒的前驱体;
S03:将所述前驱体进行热交联处理,得到热交联复合材料;
S04:将所述热交联复合材料热解处理,得到所述硅碳复合材料。
本发明实施例提供的硅碳复合材料的制备方法,首先用含有羟基的有机高分子材料包裹住硅纳米颗粒,然后通过热交联作用,使该有机高分子材料内的羟基发生交叉连接作用,这样牢牢包裹住硅纳米颗粒,最后通过热解处理碳化后,得到硅碳复合材料;这样的制备方法优化了硅碳复合材料的合成路线,降低了合成成本,而且最终制得的硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料,提高了其机械强度和循环过程中的稳定性,从而增加电池循环性能寿命。
进一步地,在上述步骤S01中,所述有机高分子材料为含有羟基的有机高分子材料,优选自聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯醇缩甲醛(PVF)中的至少一种。这些有机高分子材料中的羟基通过热交联,更好地将硅纳米颗包裹住。而所述硅纳米颗粒的粒径为5-200nm,该粒径范围内可制备得到比较均一的硅碳复合材料;更优选的,硅纳米颗粒的粒径为50-80nm,该粒径范围内,硅纳米颗粒大小更加均一,最终得到的硅碳复合材料的均一性为最佳。这些硅纳米颗粒和有机高分子材料均可在市场上获得。
更进一步地,在上述原材料中,所述硅纳米颗粒与所述有机高分子材料的质量比为1:4-19,即按质量百分比算,硅纳米颗粒与所述有机高分子材料的质量百分比为:(5%-20%):(80-95%)。如果硅纳米颗粒的质量占比太大,则硅纳米颗粒不易分散,而且后续热解碳化时易造成包裹不完全的现象;如果硅纳米颗粒的质量占比太少,则最终制备的硅碳复合材料的克容量较低。因此,在该比例范围内,得到的硅碳复合材料兼具包裹性和克容量的优点。更优选地,所述硅纳米颗粒与所述有机高分子材料的质量比为1:9时(如实施例1和实施例2),硅碳复合材料的综合性能最佳。
进一步地,在上述步骤S02中,将所述硅纳米颗粒和所述有机高分子材料混合处理的步骤包括两种方式:固相混合或液相混合。如是固相混合,即将所述硅纳米颗粒加入固相的所述有机高分子材料中,进行球磨处理;优选地,所述球磨处理的条件包括:转速400-600r/min,时间8-12h,即在该优选的转速和时间范围内,通过球磨将有机高分子材料更好地包裹住硅纳米颗粒。当然,如是液相混合:即将所述硅纳米颗粒加入液相的所述有机高分子材料中,进行超声分散处理。可先制备有机高分子材料溶液(如水溶液),然后将硅纳米颗粒加入其中;优选地,超声分散处理的时间为20-40min,在该优选的时间范围内超声处理,可使有机高分子材料更好地包裹住硅纳米颗粒,得到分散均匀的悬浮液。
进一步地,在上述步骤S03中,所述热交联处理的条件为:空气气氛中,温度160-210℃,时间10-20h。热交联处理主要是通过加热使有机高分子材料内自由基之间化学反应交联将硅纳米颗粒包裹住,而如果热交联处理的温度太低或时间太短,则交联不能发生或发生不完全,如果热交联处理的温度太高或时间太久,则有机高分子材料分解,对硅纳米颗粒包裹不严;因此,在该优选的温度和时间范围内,有机高分子材料可更有效地将硅纳米颗粒包裹住。
更进一步地,所述热交联处理的过程中:以5-10℃/min的升温速率升温至160-210℃。如果升温速率太慢,反应慢且易不完全,如升温速率太高易烧结变形,因此在该升温速率范围内,交联处理既安全又可充分反应。
进一步地,在上述步骤S04中,所述热解处理的条件为:温度700-1100℃,时间2-4h。在该温度和时间范围内,通过热解处理,可更加充分碳化,最终得到硅碳复合材料。优选地,所述热解处理在惰性气氛中进行,如N2/Ar等。这样的热解处理,更加稳定安全。
本发明先后进行过多次试验,现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述,下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种硅碳复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1、商业用硅纳米颗粒材料,与聚乙烯醇(PVA)混合,进行球磨10h,球磨的转速500r/min,得到聚乙烯醇包裹硅纳米颗粒的前驱体,表示为Si/PVA复合材料。为了得到重量比为10%的Si/PVA复合材料,硅粒子加入量为1g,PVA加入量9g。
2、在空气气氛下,在管式炉中对Si/PVA复合材料进行第一次热交联处理,温度200℃,恒温15h,升温速率5℃/min,自然冷却降温,得到热交联Si/PVA复合粉末材料。
3、管式炉中通入惰性气体(N2/Ar)气流,升温至1000℃,保温3.5h,自然降温至室温,及得到Si/C复合材料。由热重分析可知,Si:C重量比约为43:57,得到的Si/C复合材料记为Si/C-1。
实施例2
一种硅碳复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1、将商业用硅纳米颗粒材料,加入聚乙烯醇(PVA)水溶液中,超声分散30min,得到悬浮液,用喷雾干燥法干燥,得到聚乙烯醇包裹硅纳米颗粒的前驱体,表示为Si/PVA复合材料。为了得到重量比为10%的Si/PVA复合材料,1g硅粒子加入到9g和120ml的去离子水的溶液中。
2、在空气气氛下,在管式炉中对Si/PVA复合材料进行第一次热交联处理,温度200℃,恒温15h,升温速率5℃/min,自然冷却降温,得到热交联Si/PVA复合粉末材料。
3、管式炉中通入惰性气体(N2/Ar)气流,升温至850℃,保温3.5h,自然降温至室温,及得到Si/C复合材料。由热重分析可知,Si:C重量比约为43:57,得到的Si/C复合材料记为Si/C-2。
对比例1
为对比目的,本对比例与实施例1的制备过程相比,除在热解碳化前不对Si/PVA复合材料进行热交联处理外,其他制备步骤与实施例1一致。结果表明得到的Si/C复合材料中,Si:C重量比约为79:21,得到的Si/C复合材料记作Si/C-3。
对比例2
为对比目的,本对比例与实施例2的制备过程相比,除在热解碳化前不对Si/PVA复合材料进行热交联处理外,其他制备步骤与实施例2一致。结果表明得到的Si/C复合材料中,Si:C重量比约为79:21,得到的Si/C复合材料记作Si/C-4。
性能测试:将上述实施例1、实施例2、对比例1和对比例2所得的硅碳复合材料按照活性材料:导电剂:羧甲基纤维素钠:丙烯腈多元聚合物=85.5:10:2:2.5的比例配成负极浆料,碳黑作为导电添加剂,铜箔作为集流体,浓度为1mol/L的LiPF6为电解液,正极材料按常规配比配置,进行测试,其中除负极活性材料不同外其它均一致,以C/20电流充放电,测试结果如下表1和、表2所示。同时,测试各自的极片满电膨胀率,测试结果如下表3所示。
表1
表2
表3
2个取平均值 实施例1 对比例1 实施例2 对比例2
负极片满电反弹(%) 21.78 27.52 23.01 28.31
表1中:当循环第28次的时候,实施例1和对比例1的容量均为603mAh/g,而后再进行循环时,实施例1比对比例1的循环更稳定;表2中:当循环11次时,实施例2和对比例2的容量下降至597mAh/g,再进行循环时,实施例2的循环比对比例2更稳定。由上述表1和表2的结果可以看出,对有机高分子材料包裹的硅纳米颗粒前驱体进行预先热交联处理,然后再进行热解碳化得到的硅碳复合材料,与未预先进行热交联而直接热解碳化得到的硅碳复合材料相比,在循环一定的次数后前者具有更稳定的容量保持率,且循环性能较好。表3中:实施例1和实施例2的负极片满电反弹(%)均比对比例1和对比例2低,极片满电膨胀率侧面反应:热交联的存在,加强了硅碳复合材料的机械强度,因此,使得硅碳复合材料在进行循环充放电的时候更稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅碳复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
提供硅纳米颗粒和有机高分子材料;其中,所述有机高分子材料含有羟基;
将所述硅纳米颗粒和所述有机高分子材料混合处理,得到所述有机高分子材料包裹所述硅纳米颗粒的前驱体;
将所述前驱体进行热交联处理,得到热交联复合材料;
将所述热交联复合材料热解处理,得到所述硅碳复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述混合处理的步骤包括:
将所述硅纳米颗粒加入固相的所述有机高分子材料中,进行球磨处理;或
将所述硅纳米颗粒加入液相的所述有机高分子材料中,进行超声分散处理。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述球磨处理的条件包括:转速400-600r/min,时间8-12h;和/或
所述超声分散处理的时间为20-40min。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热交联处理的条件为:空气气氛中,温度160-210℃,时间10-20h。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述热交联处理的过程中:以5-10℃/min的升温速率升温至160-210℃。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述热解处理的条件为:温度700-1100℃,时间2-4h。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述热解处理在惰性气氛中进行。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述硅纳米颗粒的粒径为5-200nm。
9.如权利要求1-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述硅纳米颗粒与所述有机高分子材料的质量比为1:4-19。
10.如权利要求1-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述有机高分子材料选自聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩甲醛中的至少一种。
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