CN108682835A - 一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，将酚醛树脂作为碳源加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，将得到的混合溶液进行超声，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；将其在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，冷却至室温后，将热解产物进行研磨到微米级，得到Si/C纳米复合阳极材料。本发明采用酚醛树脂作为碳源，结合超声法制备含纳米硅的多孔炭，碳的孔隙和碳层之间丰富的空间为碳和锂离子的反应提供了更多的界面，从而大大提高硅的电化学性能，减少容量下降，经测试比容量高达880mA h g^‑1，电流密度为100mA g^‑1，循环500次后仍有容量保持率。

Description

一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池的发展一直备受关注，但市场上现有的石墨烯材料作为电池电极其电容量十分有限(在100mA/g的电流密度下电容量大约为370mAh/g)。人们已经研究了许多具有改性结构的前体以改善阳极材料的性能，而硅基聚合物陶瓷(PDC)材料是一种比较好的候选材料(理论电容量在4000mAh/g左右)。但是硅基电极在充放电的过程会发生体积的膨胀，导致其表面破碎从而使其量迅速降低。这限制了硅基正极材料的广泛应用。使用双掺杂的石墨烯(NSGs)可以有效提升电极的性能，这是由于掺杂石墨烯中杂原子的协同作用。对石墨烯片的掺杂方法有两种，一种是对石墨烯前体用带有活性杂原子的物质处理如硼烷、氨、离子液体和三苯基膦。另一种方法是让杂原子和石墨烯进行高温热转化，使得杂原子进入到碳骨架中。但是这些方法会使处理过的石墨烯发生聚集现象从而降低其性能。

由于现有方法合成的的硅电极材料合成方法复杂，合成成本高，不利于大规模生产，且在充放电过程中会发生体积变化使得电容密度下降。因此，提供一种容量保持率高、固有电导率高低、制备方法简单、可大规模生产的硅/碳纳米复合材料阳极及其制备方法是非常有必要的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；

S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。

优选地，所述酚醛树脂的具备制备过程如下：

将苯酚、37％甲醛和草酸充分溶解在水溶剂中，得到混合溶液，将混合溶液在常温进行回流反应，反应时间为0.5～1h；然后向反应产物中加入一定量的水进行沉淀，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时，得到聚合物，将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，即得到所述酚醛树脂；

其中，每升水溶剂中溶解有100mol的苯酚，85mol的37％甲醛，10mol的草酸。

更优选地，对所述酚醛树脂进行热解的升温速率为5℃/min。

优选地，所述Si/C纳米复合阳极材料的尺寸为20～30μm。

本发明还提供了上述任一方法制备得到的Si/C纳米复合阳极材料。

本发明还提供了上述Si/C纳米复合阳极材料在锂离子电池中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用酚醛树脂作为碳源，结合超声法制备含纳米硅的多孔炭，碳的孔隙和碳层之间丰富的空间不仅为碳和锂离子的反应提供了更多的界面，有利于电子传输，且制备的碳提供了多孔的活性位点，在锂化和脱锂的循环过程中，可以使硅纳米颗粒在其孔隙中膨胀；包裹在孔隙中的纳米颗粒的尺寸小于孔隙的体积，从而为循环过程中的体积变化提供了缓冲空间。电荷载体可以通过导电碳源有效快速地从硅纳米颗粒中来回传导到受电体；Si/C纳米复合材料的相互作用也为Si纳米粒子提供了良好的超声波分散性，从而大大提高硅的电化学性能，减少容量下降。Si/C纳米复合材料比容量高达880mA h g^-1，电流密度为100mA g^-1，循环500次后仍有容量保持率。

(2)同时本发明提供的材料是纳米结构核壳复合材料硅是高度分散在酚醛树脂凝胶中的，其简便的合成方法，容易量产并且能在硅表面形成的均匀酚醛树脂层，采用纳米技术为电化学循环提供了膨胀空间，解决了批量生产的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中硅纳米粒子的酚醛树脂界面涂层的制备原理图；

图2为本发明实施例2(C5)的扫描电子显微镜图；

图3为本发明对比例2(C2)和实施例2(C5)的透射电子显微镜图；

图4为本发明对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的X射线衍射图；

图5为本发明对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的傅里叶变换红外光谱图，以及酚醛树脂和Si/C纳米复合材料的热重分析图；

图6为本发明实施例2(C5)的孔径分布图；

图7为本发明实施例2(C5)的平均孔径；

图8为本发明对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的光电子能谱图(a)；

图9为本发明实施例1～3以及对比例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料的电化学性能测试图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

除非另有定义，下文中所用是的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例1

将1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。

将3g的酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，将淡黄色溶液在40℃下超声3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提取、干燥，得到Si/C纳米复合前驱体。

取上述Si/C纳米复合前驱体4g转移到管式炉中，在800℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的Si/C纳米复合阳极材料机械研磨并筛选到20μm。

上述Si/C纳米复合阳极材料的合成工艺如图1所示。

实施例2

将1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。

将3g的上述酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，将淡黄色溶液在40℃下超声3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提取、干燥，得到Si/C纳米复合前驱体。

取上述Si/C纳米复合前驱体4g转移到管式炉中，在900℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的Si/C纳米复合阳极材料机械研磨并筛选到20μm。

实施例3

将1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。

将3g的上述酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，将淡黄色溶液在40℃下超声3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提取、干燥，得到Si/C纳米复合前驱体。

取上述Si/C纳米复合前驱体4g转移到管式炉中，在1000℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的Si/C纳米复合阳极材料机械研磨并筛选到20μm。

对比例1

本对比例提供一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，具体过程和实施例1相同，不同之处仅在于Si/C纳米复合前驱体的制备过程不同：

将5g的上述酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提取、干燥，得到Si/C纳米复合前驱体。

对比例2

把1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。

取上述酚醛树脂4g转移到管式炉中，在900℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的活性阳极材料机械研磨并筛选到20μm。

对比例3

对比例1:把1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。

取上述酚醛树脂4g转移到管式炉中，在800℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的活性阳极材料机械研磨并筛选到20μm。

实施例1～实施例4均通过简单的方法制备得到了性能优异的Si/C纳米复合阳极材料，下面我们将制备得到的Si/C纳米复合阳极材料的电学性能进行具体测试，具体过程如下：

1、制备待测电池

1、材料表征

图2是实施例2的扫描电子显微镜图，由图2可以看出Si/C复合材料的表面形貌，可以看出Si封装在C材料中。图3是对比例2和实施例2的透射电子显微镜图，由图3可以看出通过高倍放大透射电子显微镜分析证实。高温热解将无定形碳转化为晶态结构，减少了碳间隙的距离。

图4是对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的X射线衍射图(a,b)和对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的拉曼光谱图(c,d)。由图4可以看出a图中在23°(002)和43°(101)出现明显的衍射峰；这些峰在较高的温度下会变得更强烈。这与我们的拉曼光谱分析一致，峰值表明酚醛树脂主要由单层碳组成，而不是平行排列的。b图显示了C4-C6阳极与纯晶体硅相比，硅在O处的特征峰，2θ＝28°(111)，47°(220)，56°(311)，

69°(400)and76°(311)与Si/C纳米复合材料相同(C4-C6)。这些峰值表明没有更多的晶体形成，并证实了碳的形成；此外，衍射峰证明了涡轮层状结构。图4中图c和d表征了C1-C3和C4-C6陶瓷的拉曼光谱。C1-C6样品中碳的降解程度可以从D带和G带在不同温度下热解的相对强度中看出，在1350and 1597cm^-1出现了强烈的峰值符合C2和C5的D带和G带，这些条带是游离碳的指标，与sp²型碳束有关。在512cm^-1是更强的带表示硅的弯曲振动，由于C4-C6陶瓷阳极材料的非晶态Si-Si振动的拉伸，使得弱带出现在957cm^-1处。硅的峰值随着酚醛树脂的变化在509到513cm^-1变化，树脂的碳成分掩盖了硅纳米颗粒，在硅/碳纳米复合材料中，由于声子约束效应，大硅峰的移动称为红移。D和G波段之间强度的相对比值为(ID/IG)，表示石墨化程度低。

图5是对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的傅里叶变换红外光谱图(a,b)，以及酚醛树脂和Si/C纳米复合材料的热重分析图(c,d)。由图5可以看出图a和b显示了在800℃,900℃ and 1000℃不同温度下热解的材料的不同。由于热解，在3300-3500cm^-1之间的OH基团随着水的演化而消失，在2800-3100cm^-1的峰值是芳香族和脂肪族C-H的拉伸振动峰。这些峰随着CH₄的变化而消失，而1508和1611cm^-1的峰值与芳香环的C＝O拉伸振动有关。图b所示的Si/C纳米复合谱表明了Si-Ch₃(779cm^-1，伸缩峰)，Si-Ph(700，781和1575cm^-1)还有Si-O-Si(1030cm^-1)的存在。这些峰仍然存在于热解的C4-C6陶瓷阳极材料中，所以最终产物是Si/C键。图c所示的酚醛树脂热降解的第一阶段开始分解为200-400℃。最初的主要产物是OH基团，这与FTIR的分析是一致的。第二阶段，在挥发性苯酚、CO、CO₂和H₂O的变化过程中，从400-800℃的残渣中计算出28.7％的体重损失。这些挥发性的产物是在芳香环和亚甲基桥之间的化学键断裂过程中产生的。在第三阶段，由于酚醛树脂的开裂，在800-1000℃的温度范围内只观察到2％的重量损失，而无定形碳被保留为空洞，在整个陶瓷转换过程中，产生了48％的损失。最后以52％收率的陶瓷材料作为锂离子电池的阳极材料。图d表明在550-630℃之间开始出现显著的重量损失，在Si/C纳米复合材料中，总失重仅为13％，吸收的水分含量在100℃时消失。

图6是实施例2的孔径分布图，图7是实施例2的平均孔径。由图6、7可以看出C5材料比表面积为0.612m²/g，平均孔隙宽度(4V/A by Brunauer-Emmett-Teller)为(13.412nm)。大表面积增加了锂离子交换过程中与电解质的接触和扩散，该数据证实了该区域的孔隙体积为0.6106cm³/g，有效地容纳了电化学循环过程中的体积膨胀，增加了纳米结构复合材料的电阻率。

图8是对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的光电子能谱图a，b-c是对比例2(C2)的高分辨率光电子能谱图，d-f是实施例2(C5)的高分辨率光电子能谱图。由图8可以看出C1-C3和C4-C6的x射线电子谱进一步说明元素的存在，它们的元素含量比显示在表1，如图b和图c所示，C2阳极材料的高分辨率XPS标示碳和氧。C1峰值为283.14和284.7eV对应C-H,C-C and C-OH键也对应了FT-IR证实了陶瓷阳极材料中存在化学键的存在。536eV的峰值与O1s相关。在C5负极材料中，C5负极材料的充放电峰值为99、101.8和103.5eV，而Si-C和Si-O₄则进一步证实了Si/C陶瓷基体中硅纳米粒子的存在。C1s谱284.6、286.4和288.7eV的峰值表明了Si-C、C＝O和O-C＝O的存在。在529.7、532和536的相邻峰对应于Si-O_X和C-O。

表1.各种阳极材料的元素组成

需要说明的是，上述是用XPS分析计算的元素组成，其中氧的含量是由于陶瓷热解过程中的吸附氧而引起的。

2、电学性能测试

2.1、制备待测电池

分别取实施例1～3制备的多孔碳阳极材料，将该多孔碳阳极材料与聚偏氟乙烯和乙炔黑以8：1：1的重量比混合在N-甲基吡咯烷酮溶液中并搅拌均匀，得到悬浮液，将悬浮液涂在铜箔上10μm厚，并在80℃下真空干燥8小时，之后在80℃下保持12小时，即完成电池的制作。同样的，采用对比例1～2制备的多孔碳阳极材料作为对比。

2.2电化学性能测试

我们在电压范围为0.01-3v，恒流密度为100mA h g^-1的测试条件下，分别测定实施例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料，以及对比例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料的电化学性能，所得相关测试曲线如图9所示，图9中的图(a)为对比例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料的充放电循环性能曲线图，图(b)为实施例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料的充放电循环性能曲线图；图(c)为对比例2提供的Si/C纳米复合阳极材料的galvano静电充放电曲线图，图(d)为实施例2提供的Si/C纳米复合阳极材料的galvano静电充放电曲线图，图(e)为实施例2和对比例2提供的Si/C纳米复合阳极材料的在不同电流密度下的放电容量。(其中，图(c)和(d)中，所标箭头方向指的是从1^stcycle到251^stcycle，逐步增大)

由图9中的图(a)和图(b)可以看出，与对比例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料相比，本发明实施例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料具有突出的储能能力，具体的，实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料在第一个周期的损失是63.28％，在随后的循环中，由于形成了厚实的固态电解质界面，导致活性物质与电流收集器之间的不连续性导致其容量衰减。然而，在循环500个周期后，实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料出现了一个稳定的容量：880mAh g^-1。而实施例1和实施例2所提供的Si/C纳米复合阳极材料与实施例2相比，电池容量略低。

其中，图(d)显示了实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料的galvano静电充放电曲线，其第一次循环放电比容量是1642mA h g^-1，在第二次循环中下降到944mA h g^-1，周期损失为57.5％，这可能是由于电解质在充放电过程中的副反应，图中所示为21、43和251次循环结果。与对比例2提供的Si/C纳米复合阳极材料相比，具有稳定容量，较少的周期损耗和高可逆容量。

图(e)显示了在选定的电流密度下，对比例2和实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料性能。当实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料的阳极电流密度为0.1、0.2、0.4、0.8和1.0A g^-1时的放电容量分别为862、677、585、551和518mA h g^-1。

本发明通过制备酚醛树脂，基于表面的碳表面均匀涂层，合成了硅/碳纳米复合阳极。基于碳封装的酚醛树脂在碳基质中均匀分布，为体积变化和应力提供了空间。在500个周期的循环后，实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料有望保持880mA h g^-1的比容量。实施例2制备的Si/C纳米复合阳极材料显著地提高的比容量、循环能力和放电能力。这是由于阳极的独特结构特征造成的，堆叠和多孔碳，维护阳极的结构稳定性和导电性。此外，合成过程也很简单，因此我们可以大规模地合成该材料。

需要说明的是，当硅纳米颗粒超过临界直径(150纳米)时，电池的电化学循环性能会受到影响，会导致表面阳极膜的开裂，使容量保持率、比容量和效率降低，因此，本发明提供的Si/C纳米复合阳极材料的尺寸控制在20～30μm之间。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；

S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。

2.根据权利要求1所述的Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂的具备制备过程如下：

将苯酚、37％甲醛和草酸充分溶解在水溶剂中，得到混合溶液，将混合溶液在室温进行回流反应，反应时间为0.5～1h；然后向反应产物中加入一定量的水进行沉淀，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时，得到聚合物，将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，即得到所述酚醛树脂；

其中，每升水溶剂中溶解有100mol的苯酚，85mol的37％甲醛，10mol的草酸。

3.根据权利要求2所述的Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，对所述酚醛树脂进行热解的升温速率为5℃/min。

4.根据权利要求1所述的Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，所述Si/C纳米复合阳极材料的尺寸为20～30μm。

5.根据权利要求1～4任一所述方法制备得到的Si/C纳米复合阳极材料。

6.权利要求5所述的Si/C纳米复合阳极材料在锂离子电池中的应用。