CN108565450A - 一种新型硅烯负极材料的制备方法 - Google Patents

一种新型硅烯负极材料的制备方法 Download PDF

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周鹏伟
赵东辉
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Abstract

本发明公开一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.5‑1.5g纳米硅粉加入0.5‑1.5L无水乙醇中分散；再将8‑12ml表面活性剂3‑氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声15‑25h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2‑4遍，获得硅浆；（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺。本发明方法中纳米片层结构作为循环期间体积膨胀的缓冲，此外，原位制备的尺寸小于100nm的Si纳米结构均匀地分散在石墨烯片层结构里，有效缓解体积膨胀应力。引入的独特的片状结构允许更快的锂离子和电子扩散，这反过来意味着优异的电化学性能，特别是更好的循环稳定性和改进的倍率性能。

Description

一种新型硅烯负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及负极材料领域技术，尤其是指一种新型硅烯负极材料的制备方法。
背景技术
硅是目前最有望代替现有碳基材料的锂离子电池的负极材料之一。硅比其他材料理论容量高，储量丰富，是广泛研究的热点之一。硅基锂离子负极材料的优点如下：（1）高能量密度：理论质量比容量和体积比容量高。（2）安全性高：电压平台高于石墨，在充放电过程中不易在电极表面形成锂支晶，作为锂电池负极材料也就更安全。（3）储量丰富，原材料成本低廉。然而，硅基锂离子负极材料的也存在以下缺点：（1）形成嵌锂相后体积膨胀大，体积膨胀约为300%。（2）容量衰退快，由于体积变化大，导致粉化、脱落和电接触下降等。（3）导电性差，本征导电率仅为6.7×10-4S•cm-1。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种新型硅烯负极材料的制备方法，其能有效解决现有之硅基锂离子负极材料存在体积膨胀大、容量衰退快、导电性差的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.5-1.5g纳米硅粉加入0.5-1.5L无水乙醇中分散；再将8-12ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声15-25h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2-4遍，获得硅浆；
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.5-1.5L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声15-25h；然后50-70℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，550-650℃的条件下煅烧1-3h，升温速度为2-5℃/min。
作为一种优选方案，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1g纳米硅粉加入1L无水乙醇中分散；再将10ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声20h；然后再用无水乙醇抽滤清洗3遍，获得硅浆；
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入1L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声20h；然后60℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，600℃的条件下煅烧2h，升温速度为3℃/min。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
本发明方法中纳米片层结构作为循环期间体积膨胀的缓冲，此外，原位制备的尺寸小于100nm的Si纳米结构均匀地分散在石墨烯片层结构里，有效缓解体积膨胀应力。引入的独特的片状结构允许更快的锂离子和电子扩散，这反过来意味着优异的电化学性能，特别是更好的循环稳定性和改进的倍率性能。
附图说明
图1是本发明中得到硅稀的扫描电镜图；
图2是本发明中电压为0.01～1.5 V，0.01C（1C＝1000 mA/g）条件下充放电性能图。
具体实施方式
本发明揭示了一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.5-1.5g纳米硅粉加入0.5-1.5L无水乙醇中分散；再将8-12ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）加入硅粉分散系中，超声15-25h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2-4遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.5-1.5L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声15-25h；然后50-70℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，550-650℃的条件下煅烧1-3h，升温速度为2-5℃/min。
下面以多个实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1g纳米硅粉加入1L无水乙醇中分散；再将10ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声20h；然后再用无水乙醇抽滤清洗3遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入1L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声20h；然后60℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，600℃的条件下煅烧2h，升温速度为3℃/min。
如图1所示，是本实施例中得到硅稀的扫描电镜图，由图1可知纳米硅粉完全嵌入石墨烯片层里，达到实验设计的要求。
通过Land电池测试仪测试电池的在不同条件下的充放电性能，如图2所示，是本实施例中电压为0.01-1.5 V，0.01C（1C＝1000 mA/g）条件下充放电性能图。可以测得本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2827.6 mAh/g，首次充电容量为2429 mAh/g，第二次放电容量为2430.5 mAh/g，第二次充电容量为2336.1mAh/g，首次效率为85.9%。
实施例2：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.5g纳米硅粉加入1.5L无水乙醇中分散；再将8ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声25h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.8L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声18h；然后60℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，550℃的条件下煅烧1h，升温速度为2℃/min。
经测试，本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2753.6 mAh/g，首次充电容量为2291.0 mAh/g，第二次放电容量为2333.5 mAh/g，第二次充电容量为2236.1mAh/g，首次效率为83.2%。
实施例3：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1.2g纳米硅粉加入1.1L无水乙醇中分散；再将9ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声20h；然后再用无水乙醇抽滤清洗3遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.5L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声15h；然后50℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，600℃的条件下煅烧2h，升温速度为3℃/min。
经测试，本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2788.6 mAh/g，首次充电容量为2267.1 mAh/g，第二次放电容量为2401.5 mAh/g，第二次充电容量为2311.2mAh/g，首次效率为81.3%。
实施例4：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1.3g纳米硅粉加入1.2L无水乙醇中分散；再将10ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声15h；然后再用无水乙醇抽滤清洗4遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.9L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声22h；然后55℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，650℃的条件下煅烧3h，升温速度为4℃/min。
经测试，本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2791.1 mAh/g，首次充电容量为2302.7mAh/g，第二次放电容量为2379.5 mAh/g，第二次充电容量为2288.2mAh/g，首次效率为82.5 %。
实施例5：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1.5g纳米硅粉加入1.4L无水乙醇中分散；再将11ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声18h；然后再用无水乙醇抽滤清洗3遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入1.2L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声23h；然后70℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，580℃的条件下煅烧1.5h，升温速度为5℃/min。
经测试，本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2794.6 mAh/g，首次充电容量为2294.4 mAh/g，第二次放电容量为2413.1 mAh/g，第二次充电容量为2301.3mAh/g，首次效率为82.1%。
实施例6：
一种新型硅烯负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.8g纳米硅粉加入0.5L无水乙醇中分散；再将12ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声22h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2遍，获得硅浆。
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入1.5L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声25h；然后65℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，620℃的条件下煅烧2.5h，升温速度为4℃/min。
经测试，本实施例中得到的硅烯首次放电容量为2769.6 mAh/g，首次充电容量为2240.6 mAh/g，第二次放电容量为2401.8 mAh/g，第二次充电容量为2398.4mAh/g，首次效率为80.9%。
本发明的设计重点在于：本发明方法中纳米片层结构作为循环期间体积膨胀的缓冲，此外，原位制备的尺寸小于100nm的Si纳米结构均匀地分散在石墨烯片层结构里，有效缓解体积膨胀应力。引入的独特的片状结构允许更快的锂离子和电子扩散，这反过来意味着优异的电化学性能，特别是更好的循环稳定性和改进的倍率性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种新型硅烯负极材料的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将0.5-1.5g纳米硅粉加入0.5-1.5L无水乙醇中分散；再将8-12ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声15-25h；然后再用无水乙醇抽滤清洗2-4遍，获得硅浆；
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入0.5-1.5L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声15-25h；然后50-70℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，550-650℃的条件下煅烧1-3h，升温速度为2-5℃/min。
2.根据权利要求1所述的一种新型硅烯负极材料的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：
（1）纳米硅颗粒表明活化：将1g纳米硅粉加入1L无水乙醇中分散；再将10ml表面活性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硅粉分散系中，超声20h；然后再用无水乙醇抽滤清洗3遍，获得硅浆；
（2）纳米硅粉和石墨烯混合工艺：将上述表面活化的硅浆加入1L无水乙醇中，并加入石墨烯粉末，超声20h；然后60℃鼓风干燥，得到前驱体；再将前驱体放入管式炉，在氩气氛围，600℃的条件下煅烧2h，升温速度为3℃/min。
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