CN110885073B - 一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米角‑硅复合材料的制备方法，采用电弧放电法制备，其中，以两个石墨棒分别为阳极和阴极，其中阳极的石墨棒一侧抵靠有硅棒，且所述硅棒与所述阳极的石墨棒并排设置，所述阳极石墨棒与硅棒的横截面面积之比为1∶0.02‑1∶0.8，所述硅棒的长度小于阳极石墨棒的长度，且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距，本发明通过将硅棒与石墨阳极并列布置实现了硅棒和石墨阳极的共蒸发，同步完成碳纳米角的生长和硅的共晶包覆，简化了消耗性阳极的制作步骤，工艺简单，而且，采用本方法碳纳米角‑硅复合材料的产出率能够维持在50％以上，碳纳米角‑硅复合材料的纯度在95％以上，具有较高的产出率和产品纯度。

Description

一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米角复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法。
背景技术
目前，锂电池的负极材料主要使用石墨材料，但是石墨材料的理论容量低(372mAh/g)，无法满足高比容量锂离子的需求。硅负极材料理论比容量达到4200mAh/g以上，远高于石墨类负极，是下一代锂离子电池负极材料的有力竞争者。但是硅负极存在天然的缺陷，锂嵌入到Si的晶胞内，会导致Si材料发生严重的膨胀，体积膨胀达到300％，造成正极材料膨胀、粉化，造成容量迅速下降，为了克服硅负极的这些缺点，研究者们选择制备硅碳复合材料的方法。利用复合材料各组分间的协同效应，一方面抑制硅颗粒的粉化，另一方面避免充放电过程中可能发生的硅颗粒团聚现象。硅碳复合材料的制备方法有多种，例如高能球磨法(既机械活化法，其主要原理是利用机械能诱发化学反应或者诱导材料组织、结构和性能的变化)、化学气相沉淀法(既CVD法)、溅射沉积法(这是制备膜材料的主要方法，利用气体放电产生的离子，在电场的作用下，高速轰击靶材，使得靶材中原子逸出，沉积到基体上形成薄膜)，蒸镀法(将材料加热蒸发，使得材料气化/升华，并沉积在基体上形成薄膜)，高温裂解法等。其中，高能球磨法最为常用，但是高能球磨法耗能高，费时，且这种球磨只是将纳米硅颗粒和碳纳米材料进行简单的机械混合，且在球磨过程中易破坏原料的形貌结构，能耗很高。
碳纳米角(Carbon Nanohorn)是一种呈“牛角状”的碳纳米材料。相比于棒状的碳纳米管和片层状的石墨烯，碳纳米角具有独特的球状形态，在能源、化工、生物医药等多个研究领域引起越来越多的关注。由于其独特的结构，碳纳米角拥有比表面积大、热稳定性强、多孔性、不含金属、难融合等特点，可以广泛应用于吸附和存储材料、催化剂载体、药物载体、超级电容器和锂电池等领域。
目前为了制作碳纳米角复合材料多是采用将催化剂、石墨、硅粉等压制成阳极，或在石墨阳极的中心掏孔后向孔中填入催化剂粉末等，在消耗性阳极的制作上较为麻烦。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种阳极制备方法简单的碳纳米角-硅复合材料的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法，采用电弧放电法制备，其中，以两个石墨棒分别为阳极和阴极，其中阳极的石墨棒一侧抵靠有硅棒，且所述硅棒与所述阳极的石墨棒并排设置。
进一步的，所述阳极石墨棒与硅棒的横截面面积之比为1:0.02-1：0.8。
进一步的，所述硅棒的长度小于阳极石墨棒的长度，且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距。
进一步的，所述硅棒至阴极石墨棒的间距减去阴阳两极石墨棒之间的间距的值为0.08-1.2mm。
进一步的，所述硅棒至阴极石墨棒的间距减去阴阳两极石墨棒之间的间距的值为1mm。
进一步的，将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮、液氩、氩气气氛或氮气气氛中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧，通入10-1500安的高压电流进行直流电弧放电，在电弧区生成高纯度的碳纳米角-硅复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将硅棒与石墨阳极并列布置实现了硅棒和石墨阳极的共蒸发，同步完成碳纳米角的生长和硅的共晶包覆，简化了消耗性阳极的制作步骤，工艺简单，而且，采用本方法碳纳米角-硅复合材料的产出率能够维持在50％以上，碳纳米角-硅复合材料的纯度在95％以上，具有较高的产出率和产品纯度。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法，采用电弧放电法制备，其中，以两个石墨棒分别为阳极和阴极，其中阳极的石墨棒一侧抵靠有硅棒，且所述硅棒与所述阳极的石墨棒并排设置；阳极的石墨和硅棒在电弧产生的高温下共同蒸发并相互膨胀进而形成碳纳米角-硅复合材料，相比于球磨法的机械混合，本发明的制备方法碳纳米管-硅复合材料属于原位复合，导电性能和机械性能得到很大的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到很大的提升，并且，本发明制备方法工艺简单。
进一步的，所述阳极石墨棒与硅棒的横截面面积之比为1:0.02-1：0.8。
进一步的，所述硅棒的长度小于阳极石墨棒的长度，且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距。
进一步的，所述硅棒至阴极石墨棒的间距减去阴阳两极石墨棒之间的间距的值为0.08-1.2mm。
进一步的，所述硅棒至阴极石墨棒的间距减去阴阳两极石墨棒之间的间距的值为1mm。
进一步的，本制备方法采用的是液氮/液氩放电法，将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮、液氩、氩气气氛或氮气气氛中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧，通入10-1500安的高压电流进行直流电弧放电，在电弧区生成高纯度的碳纳米角-硅复合材料。
实施例2
本实施例为基于实施例1的另一种实施方式，对于实施例1相同的技术方案描述将省略，仅对与实施例1不同的技术方案进行说明。
硅棒和阳极石墨棒均为正方形，硅棒与阳极石墨棒的宽度比为0.5:1，将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮或液氩中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距1mm，通入1500安的高压电流进行直流电弧放电得到碳纳米角-硅复合材料，碳纳米角-硅复合材料产出率在65.7％左右。
实施例3
本实施例为基于实施例1的另一种实施方式，对于实施例1相同的技术方案描述将省略，仅对与实施例1不同的技术方案进行说明。
阳极石墨棒为圆形，硅棒为圆形，硅棒与阳极石墨棒的直径比为1:3，将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮或液氩中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距0.8mm，通入300安的高压电流进行直流电弧放电得到碳纳米角-硅复合材料，碳纳米角-硅复合材料产出率在51.3％左右。
实施例4
本实施例为基于实施例1的另一种实施方式，对于实施例1相同的技术方案描述将省略，仅对与实施例1不同的技术方案进行说明。
阳极石墨棒为圆形，硅棒为方形片材，硅棒与阳极石墨棒的面积比为1:0.2将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮或液氩中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距1mm，通入1000安的高压电流进行直流电弧放电得到碳纳米角-硅复合材料，碳纳米角-硅复合材料产出率在58.7％左右。
实施例5
本实施例为基于实施例1的另一种实施方式，对于实施例1相同的技术方案描述将省略，仅对与实施例1不同的技术方案进行说明。
硅棒为圆形，阳极石墨棒为大致呈矩形且朝向硅棒的侧面的形状与硅棒外表面吻合，硅棒与阳极石墨棒的面积比大致为0.5:1，将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮或液氩中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距1mm，通入600安的高压电流进行直流电弧放电得到碳纳米角-硅复合材料，碳纳米角-硅复合材料产出率在54.6％左右。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种碳纳米角-硅复合材料的制备方法，采用电弧放电法制备，其特征在于：以两个石墨棒分别为阳极和阴极，其中阳极的石墨棒一侧抵靠有硅棒，且所述硅棒与所述阳极的石墨棒并排设置；
所述阳极石墨棒与硅棒的横截面面积之比为1:0.5-1：0.8；
所述硅棒的长度小于阳极石墨棒的长度，且硅棒至阴极石墨棒的间距大于阴阳两极石墨棒之间的间距；
所述硅棒至阴极石墨棒的间距减去阴阳两极石墨棒之间的间距的值为0.8-1.2mm；
将阳极和阴极两根石墨棒相对放置在液氮、液氩、氩气气氛或氮气气氛中，将硅棒固定在阳极石墨的一侧，通入300-1500安的高压电流进行直流电弧放电，在电弧区生成高纯度的碳纳米角-硅复合材料。
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