CN109626383B - 一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法 - Google Patents

一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，所述方法为：在无隔膜电解装置中，以金属、碳或贵金属氧化物涂层电极为阳极，以金属、碳或金属合金电极为阴极，以有机溶剂、正硅酸乙酯和硝酸盐的混合溶液为电解液；用稀酸调节电解液的pH为3～4，控制电解液温度为0～60℃，采用恒电流密度电解；在阳极获得二氧化硅薄膜或粉末。与现有技术相比，本发明工艺简单、反应及粒径分布易于控制，所得的二氧化硅作锂离子电池负极材料比容量高，并具有良好的循环稳定性，具有良好工业化开发前景。

Description

一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法
技术领域
本发明涉及一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法。
背景技术
随着便携式电子设备和电动汽车的迅速发展，锂离子电池由于其能量密度高、重量轻、环保等优点，已成为占主导地位的电源之一。锂离子电池主要由四个部分构成：正极、负极、隔膜和电解液。其中负极材料是影响锂离子电池的关键材料之一。目前商用的锂离子电池负极材料主要是石墨材料，其理论质量比容量为372mAh/g，已开发至接近理论值。近年来，石墨改性材料、硅基负极材料和氧化物负极材料被广泛研究，并开始在锂离子电池中取得应用。特别是SiO2负极材料，其容量可以稳定在600mAh/g左右，SiO2在脱嵌锂过程中原位形成的Li2O和Li4SiO4等组分可作为缓冲介质缓解硅的体积变化，从而获得较好的循环稳定性；同时，其原料来源广泛，制备方式便捷，是一种具有较好的开发应用前景的锂离子电池负极材料。
结晶态的SiO2在自然界中广泛存在，然而晶体SiO2中的硅氧键处于饱和状态，使得SiO2很难与锂离子结合，通常采用机械球磨的方法破坏饱和的硅氧键，得到能与锂离子结合的无定型SiO2粉末。不同结构和形貌的SiO2粉体的制备方法被广泛研究，包括正硅酸乙酯水解法、化学气相沉积和静电纺丝法等。通过改变形貌、表面包覆等途径，改善SiO2负极材料的容量和循环稳定性。电沉积法制备SiO2粉末，通常采用阴极电解沉积的方法，利用阴极析出氢气，致使有机硅在电极附近水解得到硅酸，经过干燥、热处理得到SiO2薄膜或粉末，应用于钢铁材料的表面防护。
本发明采用阳极电解的方法，以金属、合金或碳电极为阳极，利用阳极析出活性氧氧化正硅酸乙酯，在电极表面直接生成二氧化硅薄膜或粉末，控制不同的电流密度(电极电位)和电解时间，可以在阳极表明得到薄膜材料或不同粒径分布的无定型二氧化硅粉体材料，具有材料纯度高，粒径分布可控，薄膜与基体结合力好等优点，是一种具有应用前景的二氧化硅离子电池负极材料制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，具有工艺简单、反应易于控制、产物纯度高等特点，是一种具有产业化应用前景的二氧化硅负极材料的制备方法。
本发明采用的技术方案为：
一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、在无隔膜电解装置中，以金属、碳或贵金属氧化物涂层电极为阳极，以金属或碳电极为阴极，以有机溶剂、正硅酸乙酯和硝酸盐组成的混合溶液为电解液；
S2、用稀酸调节电解液的pH为3～4，控制电解液温度为0～60℃，采用恒电流密度电解；
S3、在阳极获得二氧化硅粉末，作为锂离子电池的负极材料备用；
S4、将锂片作为锂离子电池的正极，将步骤S3中得到的二氧化硅粉末作为负极材料组装锂离子测试电池，测试电池的容量和循环性能。
优选的，步骤S1中所述硝酸盐以溶液形式存在，所述硝酸盐溶液的浓度为0.5mol/L，所述有机溶剂、正硅酸乙酯和硝酸盐溶液的体积比为1～10:1:1。
优选的，步骤S2中所述电流密度为5～200A/m2、电解时间为1～20分钟。
优选的，所述硝酸盐为NaNO3、KNO3和NH4NO3中的至少一种。
优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或丙酮。
优选的，所述阳极为钛、不锈钢、玻璃碳、石墨、钌钛氧化物涂层或铱钛氧化物涂层电极，所述阴极为铜、钛、石墨或不锈钢电极。
本申请的发明人对电解方法进一步优化，包括以下步骤：
S1、在无隔膜电解装置中，用稀盐酸处理过的钛片分别作为阳极和阴极，以无水乙醇、正硅酸乙酯和NaNO3的混合溶液作电解液；
S2、用稀硫酸调节电解液的pH为3～4，搅拌电解液1～2小时，控制电解液温度为0～60℃，调节电流密度为50～100A/m2，电解5～10分钟，在阳极钛片上得到白色粉末；
S3、将步骤S2中得到的白色粉末过滤、洗涤、干燥，再在120℃真空烘箱中放置3小时，测定烘干后的二氧化硅粉末的XRD、SEM和粒径分布；
S4、将锂片作为锂离子电池的正极，将步骤S3中得到的二氧化硅粉末作为负极材料组装锂离子测试电池，测试电池的容量和循环性能。
优选的，步骤S1中NaNO3以溶液形式存在，所述NaNO3溶液的浓度为0.5mol/L，步骤S1中所述无水乙醇、正硅酸乙酯和NaNO3溶液的体积比为8:1:1。
本发明的有益效果为：
(1)与现有技术相比，本发明工艺简单、反应易于控制、粒径分布易控制；
(2)所得的二氧化硅负极材料比容量高、并具有良好的循环稳定性和倍率性能，可作为锂离子电池的负极材料，具有良好工业化应用前景。
附图说明
图1为本发明实例1所制备的二氧化硅负极材料的SEM图谱；
图2为本发明实例1所制备的二氧化硅负极材料的XRD衍射图；
图3为本发明实例1所制备的二氧化硅负极材料粒径分布图
图4为本发明实例1所制备的扣式电池的前三次充放电曲线；
图5为本发明实例1所制备的扣式电池的充放电循环性能图。
图6为本发明实施例1电解池结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1
本申请的阳极电解法制备二氧化硅粉末，将其用作锂离子电池的负极材料，并对制成的锂离子电池的性能进行测试，本实施例方法的步骤如下：
S1、二氧化硅粉末的制备：
采用无隔膜电解装置，阳极材料为不锈钢片，阴极材料为不锈钢。电解液为120mL无水乙醇、15mL正硅酸乙酯和15mL 0.5mol/L NaNO3的混合溶液，并用稀硫酸调节pH至3，搅拌2h，调节电流密度为60A/m2，电解5min，得到白色的粉末；反应产物经过滤、洗涤并干燥后，放置在120℃真空烘箱中烘干3h，得到二氧化硅粉末。
S2、二氧化硅粉末的性能测试：
测试二氧化硅的表面形貌(SEM分析)、组成(XRD分析)和粒径分布。
S3、锂离子电池的制备：
将二氧化硅粉末、导电剂(乙炔黑)与粘结剂(聚偏氟乙烯)按质量比为8:1:1混合均匀，再加入适量的1-甲基-2吡咯烷酮(NMP)作溶剂，搅拌2～3h，得到具有一定粘度的浆料；
将上述浆料均匀涂覆在直径为15mm的铜片上，在80℃真空烘箱中干燥12h；
将极片用压片机在20MPa的压力下压实，再置于80℃真空烘箱中干燥6h；
在手套箱中将二氧化硅粉末电极作为负极，锂片做辅助电极组装锂离子测试电池，用封口机以500pis的压力将其密封，搁置12h。
其中，隔膜的型号为Celgard 2300(PP/PE/PP三层)薄膜为隔膜，电解液是1mol/LLiPF6/EC:DEC(体积比为1:1)。
S4、锂离子电池性能测试：
采用一定的电流密度对半电池进行充放电测试，电压区间为0～3V，充放电的时间间隔为5min。所制备的材料和锂离子电池性能如下：
附图1为实例1所制备的二氧化硅负极材料的SEM图谱，结果显示二氧化硅的颗粒尺寸分布均匀，基本具有球形的形貌特征；
附图2为实例1所制备的二氧化硅负极材料的XRD衍射图，图谱显示所制备的是非晶态的二氧化硅，馒头峰对应的衍射角度与晶态二氧化硅能较好地吻合；
附图3为实例1所制备的二氧化硅负极材料粒径分布图，结果表明电解法制备的二氧化硅粒径分布较窄；
附图4为电池在100mA/g的电流密度下0.01～3V电压范围内前三次的充放电曲线，首次放电容量1300mAh/g；
附图5为电池在100mA/g的电流密度下的循环性能图，在200次循环后，放电容量保持530mAh/g。
实施例2--8
实施例4-10分别采用不同组成的电解液，电解制备二氧化硅粉末，测试不同组成的电解液对制成的二氧化硅锂离子电池负极材料性能的影响。
将实施例1中0.5mol/L硝酸盐和有机溶剂分别替换为硝酸钾和乙醇、硝酸钠和甲醇、硝酸铵和乙醇、硝酸钾+硝酸钠和乙醇，用于制备二氧化硅粉末；
并测试不同浓度的硝酸钠对制备的二氧化硅性能的影响。
按实施例1组装电池后，性能测试结果如表2所示：
表2电解液组成对制备二氧化硅锂离子电池负极材料性能的影响
Figure BDA0001841442550000071
Figure BDA0001841442550000081
其中：TEOS为正硅酸乙酯；MeOH为甲醇；EtOH为乙醇。
由表2可知，电解液组成对制备的锂离子电池负极材料性能的影响较小，不同组成的电解液对制成的二氧化硅粉末作为锂离子电池负极材料时的循环稳定性相差不大。
实施例9--17
实施例9-17测试不同的电流密度和电解时间对电池性能的影响。
按上述实施例1的步骤，将通电时间更换为5min、10min、15min，电流密度更换为25A/m2、50A/m2、75A/m2，做正交实验制备二氧化硅粉末；
按实施例1组装电池后，性能测试结果如表3所示：
表3电流密度和电解时间对电池性能的影响
Figure BDA0001841442550000082
Figure BDA0001841442550000091
由表3可知，在其他条件相同的情况下，电流密度越小，循环稳定性越好；通电时间越短，循环稳定性越好。
以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在无隔膜电解装置中，以金属、碳或贵金属氧化物涂层电极为阳极，以金属或碳电极为阴极，以有机溶剂、正硅酸乙酯和硝酸盐组成的混合溶液为电解液；
S2、用稀酸调节电解液的pH为3～4，控制电解液温度为0～60℃，采用恒电流密度电解；
S3、在阳极获得二氧化硅粉末，作为锂离子电池的负极材料备用；
S4、将锂片作为锂离子电池的正极，将步骤S3中得到的二氧化硅粉末作为负极材料组装锂离子测试电池，测试电池的容量和循环性能；
其中，步骤S1中，所述阳极为钛、不锈钢、钌钛氧化物涂层或铱钛氧化物涂层电极，所述阴极为铜、钛、石墨或不锈钢电极，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或丙酮；
步骤S2中，所述电流密度为5～200A/m2、电解时间为1～20分钟。
2.根据权利要求1所述的一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述硝酸盐以溶液形式存在，所述硝酸盐溶液的浓度为0.5mol/L，所述有机溶剂、正硅酸乙酯和硝酸盐溶液的体积比为1～10:1:1。
3.根据权利要求1所述的一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，所述硝酸盐为NaNO3、KNO3和NH4NO3中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种阳极电解法制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在无隔膜电解装置中，用稀盐酸处理过的钛片分别作为阳极和阴极，以无水乙醇、正硅酸乙酯和NaNO3组成的混合溶液作电解液；
S2、用稀硫酸调节电解液的pH为3～4，搅拌电解液1～2小时，控制电解液温度为0～60℃，调节电流密度为50～100A/m2，电解5～10分钟，在阳极钛片上得到白色粉末；
S3、将步骤S2中得到的白色粉末过滤、洗涤、干燥，再在120℃真空烘箱中放置3小时，测定烘干后的二氧化硅粉末的XRD、SEM和粒径分布；
S4、将锂片作为锂离子电池的正极，将步骤S3中得到的二氧化硅粉末作为负极材料组装锂离子测试电池，测试电池的容量和循环性能。
5.根据权利要求4所述的一种阳极电解正硅酸乙酯制备二氧化硅锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，步骤S1中NaNO3以溶液形式存在，所述NaNO3溶液的浓度为0.5mol/L，所述无水乙醇、正硅酸乙酯和NaNO3溶液的体积比为8:1:1。
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