CN110931749A - 一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化铝改性掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其具体步骤为：将硅粉、石墨粉按照1/0.5～10质量比混合均匀、根据二者总质量加入5～30％有机聚合物、2～20％铝化合物在溶剂中球磨10～72小时。除去溶剂，干燥，将所得物料在空气中200～300摄氏度热处理0.5～5小时，水洗后干燥，然后在惰性气氛下500～800摄氏度反应1～10小时，冷却至室温后得到氧化铝掺杂硅/双碳(石墨片及聚合物热解炭)复合负极材料。用该方法制备的复合材料可用作锂离子电池和锂硫电池负极材料。

Description

一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别是涉及一种高比能锂电池用硅碳复合负极材料及其制备方法。
背景技术
目前，锂离子电池广泛应用于医疗、航天、国防、信息及交通等领域。随着全球范围对能源需求量的加大和环保需要促进了高能量密度和长循环使用寿命锂离子电池储能材料的研究和发展。传统的以石墨为负极的锂离子电池能量密度低(石墨理论放电比容量仅为372mAh/g)，安全性能低将逐步被淘汰(Journal of Power Sources，2013，236：118-125)。硅作为锂离子电池负极材料其理论容量高达4200mAh/g，在高能量密度锂离子电池的研究应用方面得到了广泛关注。但是硅负极在锂离子脱嵌过程中会发生严重的体积收缩和膨胀现象(体积变化可高达300％)，在材料内部产生的很大内应力，从而导致材料结构破坏和粉化脱落，降低了电极的导电性和循环稳定性。为了克服以上缺陷，大多数研究倾向于制备纳米多孔硅并将其与碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维等进行复合制备硅碳复合负极材料，从而提高导电性和缓冲体积效应来达到提高循环稳定性的目的(ElectrochimicaActa，2015，178：65-73；Nano Energy，2015，11：490-499)。但是纳米硅和多孔硅制备工艺繁琐，成本高，不易大规模工业化应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明以微米硅为原材料，采用球磨结合高温热解技术制备一种氧化铝掺杂制备硅/双碳复合负极材料，其中的双碳包括石墨片炭及聚合物热解炭。
本发明所采用的技术方案是：将硅粉、石墨粉按照1/0.5～10质量比混合均匀、加入5～30％有机聚合物、2～20％铝化合物在溶剂中球磨10～72小时。除去溶剂，干燥，将所得物料在空气中200-300摄氏度热处理0.5～5小时，水洗后干燥，然后在惰性气氛下500-800摄氏度反应1～10小时，冷却至室温后得到氧化铝掺杂硅/双碳(石墨及聚合物热解炭)复合负极材料，氧化铝为铝化合物的分解产物。
上述步骤所用硅粉为纳米硅、微米硅中一种或两种。
上述步骤所用有机聚合物为沥青、聚乙烯醇、聚乙二醇、纤维素、聚内烯腈、多糖、聚乙烯醇和聚烯烃中的一种或几种。
上述步骤所用铝化合物为铝的氯化物、乙酸盐、硝酸盐、酸盐和氧化铝中的一种或几种。
上述步骤所用溶剂为水、丙酮、乙醇、二甲基甲酰胺、甲醇和聚乙烯吡咯烷酮的一种或几种。
附图说明
图1为实施例1产物的扫描电镜图。
图2为实施例2产物的扫描电镜图。
图3为实施例1、2产物的X射线粉末衍射图谱。
图4为实施例1、2产物的充放电循环性能图。
图5为实施例1、2产物的充放电倍率性能图。
具体实施方式
实施例1：
将1克硅粉和2克石墨粉混合均匀，加入0.3克聚丙烯腈，以二甲基甲酰胺为溶剂在氮气气氛下球磨24小时。过滤、干燥，将所得物料在空气中280摄氏度热处理4小时。水洗、干燥后在氩气气氛中650摄氏度反应6小时，冷却至室温后得到无掺杂硅/双碳复合负极材料，产物形貌如图1所示。产物X射线粉末衍射图谱中可以发现硅和石墨的强衍射峰，聚合物热解炭为无定形炭没有明显衍射峰，如图3所示。
实施例2：
将1克硅粉和2克石墨粉混合均匀，加入0.3克聚丙烯腈及0.3克硝酸铝，以二甲基甲酰胺为溶剂在氮气气氛下球磨24小时。过滤、干燥，将所得物料在空气中280摄氏度热处理4小时。水洗、干燥后在氩气气氛中650摄氏度反应6小时，冷却至室温后得到氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料，产物形貌如图2所示。产物X射线粉末衍射图谱中可以发现硅和石墨的强衍射峰，铝盐分解得到的无定形氧化铝及聚合物热解无定形炭无明显衍射峰，如图3所示。
实施例3：材料的电化学性能测试
采用扣式电池系统在室温下测试材料的电化学性质，其中电解液为1.0M LiPF6/EC+DMC(体积比为1∶1，并加入5.0％的FEC)。采用蓝电CT2001A型电池测试系统进行充放电测试，电压范围为0.0053V。结果如图4和图5所示。显然，氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料相对于无掺杂硅/双碳复合负极材料具有高的充放电循环稳定性和倍率性能。

Claims (8)

1.一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其具体步骤为：将硅粉、石墨粉按照1/0.5～10质量比混合均匀、根据二者总质量加入5～30％有机聚合物、2～20％铝化合物在溶剂中球磨10～72小时。除去溶剂，干燥，将所得物料在空气中200～300摄氏度热处理0.5～5小时，水洗后干燥，然后在惰性气氛下500～800摄氏度反应1～10小时，冷却至室温后得到氧化铝掺杂硅/双碳(石墨及聚合物热解炭)复合负极材料，氧化铝为铝化合物的分解产物。
2.根据权利要求1所述一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述硅粉为纳米硅、微米硅中一种或两种。
3.根据权利要求1所述一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述有机聚合物为沥青、聚乙烯醇、聚乙二醇、纤维素、聚丙烯腈、多糖、聚乙烯醇和聚烯烃中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述铝化合物为铝的氯化物、乙酸盐、硝酸盐、酸盐和氧化铝中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述溶剂为水、丙酮、乙醇、二甲基甲酰胺、甲醇和聚乙烯吡咯烷酮的一种或几种。
6.一种氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料，所述复合材料通过权利1～5中任一项所述的方法制备。
7.权利要求6所述氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料可用作锂离子电池负极材料。
8.权利要求6所述氧化铝掺杂硅/双碳复合负极材料可用作锂硫电池负极材料。
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