CN109920990B - 一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种微波制备硅‑金属‑碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：(a)离心清洗硅源；（b）将硅源、金属粉末和碳源研磨均匀压片；（c）微波箱式高温反应器反应；(d)研磨；(e)制碳源溶液；(f)将粉末与碳源溶液混合；(g)微波箱式高温反应器反应；（h）研磨。本发明的制备方法简单、成本较低，制备出硅‑金属‑碳复合材料各层之间包裹均匀，其复合材料电化学性能高。

Description

一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅处理方法，特别是一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法。
背景技术
硅-金属-碳复合材料是一种三维多层结构复合材料，这种材料由于其独特的性质制备成锂离子电池负极材料等，硅作为锂离子电池负极材料其理论比容量为4200mAh/g,但硅材料在锂离子电池充放电过程中会有很大的体积效应，碳作为锂离子电池负极材料其理论比容量为372mAh/g，但其只有较小的体积效应所以有很好的循环性能，硅-金属通过金属-硅之间的协同作用缓解硅在充放电时的体积效应。硅-金属-碳复合材料外面的碳可以很好的抑制内层的硅在充放电过程中产生的体积效应，同时提供较高的比容量，现有的硅-金属-碳复合材料制备工艺复杂，不易制备。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法。本发明的制备方法简单、成本较低，产率高，制备时间短。所制备的一种微波制备硅-金属-碳复合材料锡包裹硅均匀，碳包裹硅-锡材料包裹均匀。
本发明的技术方案：一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)取3-5份的硅源，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；
(b)将A品、0.5-1份金属粉末及0.01-0.05份碳源，研磨均匀压片，得B品；
(c)将B品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为100℃-900℃，反应时间为1-50分钟，得C品；
(d)将C品研磨成粉末，粉末直径为50nm-10μm；
(e)取5-8份碳源溶于纯水中，得到溶液D；
(f)将C品粉末倒入溶液D中搅拌均匀，得E品；
(g)将E品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为500℃-800℃，反应时间为3-55分钟,得F品；
（h）将F品研磨成粉末，粉末直径为20nm-20μm，得本发明的硅-金属-碳复合材料。
前述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法中，所述步骤(a)中的硅源为单晶硅粉、多晶硅粉中的一种或几种且硅源的颗粒直径为3-15μm。
前述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法中，所述步骤(b)中的碳源为葡萄糖、玉米淀粉、海藻酸钠、琼脂中的一种或几种。
前述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法中，所述步骤(c)和(g)中的微波箱式高温反应器中的微波频率为2.45GHz。
前述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法中，所述步骤(e)中的纯水为10-300ml。
前述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法中，所述金属粉末为锡粉、镁粉、铅粉中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明通过在步骤（b）将A、0.5-1份金属粉末、0.01-0.05份碳源研磨均匀压片，研磨均匀压片后金属粉末与硅粉更均匀的混合与接触，该方法与南昌大学马成海的《硅/氧化硅/锡/碳锂离子电池负极复合材料制备及电化学性能》的方案相比较，硅与锡混合更加均匀；
本发明通过步骤（c）使用微波箱式高温反应器烧结，反应时间短，操作简单该方法与南昌大学马成海的《硅/氧化硅/锡/碳锂离子电池负极复合材料制备及电化学性能》的方案相比较，本发明不产生氧化硅产物，增加了复合材料的电化学性能；
在本发明的步骤（b）中，硅和金属粉末充分均匀混合，增加硅与金属粉末的接触。
在本发明的步骤（c）中，由于碳源为极性分子，微波使极性分子快速震动，可以快速完成烧结过程，与南昌大学马成海的《硅/氧化硅/锡/碳锂离子电池负极复合材料制备及电化学性能》的方案相比较，其烧结时间为5h，而本发明的方案只需几分钟至几十分钟的烧结时间，用时时间短。
本发明通过步骤（g）在硅合金外包碳，操作简单，包裹均匀。
综上所述，结合图1至图4所示，本发明的制备方法简单、成本较低，制备出硅-金属-碳复合材料各层之间包裹均匀，其复合材料电化学性能高。
附图说明
图 1 是本发明制备得到的硅-金属-碳复合材料的扫描电镜(SEM)；
图 2 是本发明制备得到的硅-金属-碳复合材料的扫描电镜(SEM)。
图3 是本发明制备得到的硅-金属-碳复合材料的电化学性能图。
图4 是南昌大学马成海的《硅/氧化硅/锡/碳锂离子电池负极复合材料制备及电化学性能》中材料的锂离子电化学性能图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1；一种微波制备硅-锡-碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)取4份直径为8μm的单晶硅粉，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；
(b)将A品、1份锡粉、0.03份海藻酸钠，研磨均匀压片，得B品；
(c)将B品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为220℃，反应时间为5分钟，得C品；
(d)将C品研磨成粉末，粉末直径为5μm；
(e)取6份海藻酸钠溶于250ml纯水中，得到溶液D；
(f)将C品粉末倒入溶液D中搅拌均匀，得E品；
(g)将E品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为650℃，反应时间为9分钟,得F品；
（h）将F品研磨成粉末，粉末直径为10μm，得硅-锡-碳复合材料。
实施例2；一种微波制备硅-镁-碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)取4份直径为10μm的单晶硅粉，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；
(b)将A品、0.8份镁粉、0.04份葡萄糖，研磨均匀压片，得B品；
(c)将B品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为300℃，反应时间为15分钟，得C品；
(d)将C品研磨成粉末，粉末直径为90nm；
(e)取6份海藻酸钠溶于200ml纯水中，得到溶液D；
(f)将C品粉末倒入溶液D中搅拌均匀，得E品；
(g)将E品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为800℃，反应时间为8分钟,得F品；
（h）将F品研磨成粉末，粉末直径为15μm得硅-镁-碳复合材料。
实施例3；一种微波制备硅-铅-碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(a)取3份直径为12μm的单晶硅粉和2份多晶硅粉混合，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；
(b)将A品、0.7份铅粉、0.03份玉米淀粉和0.02份琼脂，研磨均匀压片，得B品；
(c)将B品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为600℃，反应时间为30分钟，得C品；
(d)将C品研磨成粉末，粉末直径为1μm；
(e)取3份海藻酸钠和3份葡萄糖，溶于300ml纯水中，得到溶液D；
(f)将C品粉末倒入溶液D中搅拌均匀，得E品；
(g)将E品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为700℃，反应时间为10分钟,得F品；
（h）将F品研磨成粉末，粉末直径为5μm，得硅-铅-碳复合材料。

Claims (3)

1.一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 ：
(a)取3-5份的硅源，依次用氢氟酸、硫酸、乙醇、超纯水离心清洗，得A品；所述硅源为单晶硅粉、多晶硅粉中的一种或几种且硅源的颗粒直径为3-15μm；
(b)将A品、0.5-1份金属粉末及0.01-0.05份碳源，研磨均匀压片，得B品；所述碳源为葡萄糖、玉米淀粉、海藻酸钠、琼脂中的一种或几种；
(c)将B品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为100℃-900℃，反应时间为1-50分钟，得C品；
(d)将C品研磨成粉末,粉末直径为50nm-10μm；
(e)取5-8份碳源溶于纯水中，得到溶液D；
(f)将C品粉末倒入溶液D中搅拌均匀，得E品；
(g)将E品放入微波箱式高温反应器中，反应温度为500℃-800℃，反应时间为3-55分钟,得F品；
（h）将F品研磨成粉末，粉末直径为20nm-20μm，得硅-金属-碳复合材料；
所述金属粉末为锡粉、镁粉、铅粉中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(c)和(g)中的微波箱式高温反应器中的微波频率为2.45GHz。
3.根据权利要求1所述的一种微波制备硅-金属-碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(e)中的纯水为10-300ml。
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