CN111785951B - 一种锂离子电池Sn掺杂Si/C负极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池Sn掺杂Si/C负极材料的制备方法,该方法用淀粉酶对淀粉进行酶解造孔,制得多孔淀粉;将含锡化合物用还原剂进行还原制得单质Sn;将Sn和Si同时封装入多孔淀粉,制得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;将锡硅混合物/多孔淀粉复合物,经过真空高温碳化,得到锡硅/生物多孔碳复合负极材料。其中锡的掺入,增加了材料的振实密度,锡硅的共同作用还提高了复合材料容量和倍率性能。同时多孔淀粉衍生的多孔碳不仅能缓冲锡硅混合物的体积膨胀,还能促进锂离子和电子的扩散速率。本制备方法原料绿色环保,工艺简单,过程易控、能耗低,属于环境友好型绿色工艺,易于大规模生产和推广。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域,具体涉及一种以淀粉为原料一步碳化法获得锂离子电池Sn掺杂Si/C负极材料的方法。
背景技术
新能源汽车的高速发展,对电池材料的能量密度提出了更高的要求。目前占据主流市场的锂离子电池负极材料主要是石墨类炭负极材料,但其372mAh/g的容量过低,越来越不能满足市场发展的要求。而Sn的理论容量为994mAh/g、Si的理论容量为3580mAh/g,是传统石墨负极的数倍多,也是石墨负极很好的替代品。然而,锡硅材料本身导电性差,膨胀率高造成的容量衰减快,循环性不好,这无疑限制了这种材料的商业化应用。
发明内容
本发明提供了一种锂离子电池Sn掺杂Si/C负极材料的制备方法,该方法用淀粉酶对淀粉进行酶解造孔,制得多孔淀粉;将含锡化合物用还原剂进行还原制得单质Sn;将Sn和Si同时封装入多孔淀粉,制得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;将锡硅混合物/多孔淀粉复合物,经过真空高温碳化,得到锡硅/生物多孔碳复合负极材料。该方法通过锡的掺入增加了材料的振实密度,通过锡硅的共同作用达到提高复合材料容量和倍率性能的目的。同时采用了绿色的淀粉生物质和环保的生物酶解法,所制得多孔碳作为既能缓冲复合物体积膨胀,又能增加材料导电性。
本发明锂离子电池SnO2/生物多孔碳负极材料的制备方法如下:
(1)将淀粉置于容器中,加入淀粉酶液和pH缓冲液,将容器置于恒温磁力搅拌器上室温~60℃下进行酶解8~24h后,得到含有多孔淀粉的淀粉乳,对淀粉乳进行过滤、洗涤获得多孔淀粉;
(2)在20℃~60℃下将多孔淀粉加入去离子水中搅拌混匀制成多淀粉悬浮液。用还原剂将含锡化合物进行还原制得单质Sn,将一定比例Sn和Si放入盛有分散剂的容器中搅拌得到锡硅粉分散液,硅粉分散液加入到淀粉悬浮液中混匀制得镶有Sn、Si的淀粉混合液,混合液蒸发干燥后,即锡硅混合物/多孔淀粉复合物;
(3)将锡硅混合物/多孔淀粉复合物置于惰性气氛中,真空高温条件下碳化1-12h,待冷却至室温后,即得SnSi/生物多孔碳负极材料。
所述淀粉为小麦粉、玉米粉、马铃薯粉、豆类粉、木薯粉中的一种或几种任意比混合物;
所述淀粉酶液中的淀粉酶为α-淀粉酶、β-淀粉酶、γ-淀粉酶、异淀粉酶中的一种或几种任意比混合物,
所述淀粉与淀粉酶的质量比为100~10:1。
所述pH缓冲液为磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠缓冲液中的一种,
所述缓冲液的pH值范围在4.6~6。
所述含锡化合物为SnCl4·5H2O、SnCl2·3H2O、SnCl2·2H2O、Na2SnO3·3H2O、SnO2、SnO等的一种或多种混合物。
所述还原剂为C、NaH、KC8、NaBH4等一种或多种混合物;
所述还原剂制备方法为液相还原法、气相法、熔盐法、水热法、电沉积法等一种或多种。
所述Sn和Si比为1:0.01~1,硅锡混合物与多孔淀粉质量比为1:0.1~1;
所述混合方法为超声法、机械搅拌法、振动法、磁力搅拌法等。
所述惰性气体为氩气或氮气,碳化真空度为1~50Pa,碳化升温速率为0.1~5℃/min,碳化温度为500~900℃,保温时间为1~12h。
与现有技术相比,本发明方法优点在于:
本发明将Sn掺杂进入Si/C负极材料,利用单质Sn的小粒径对Si/C的微孔进行进一步的填充,在增加了材料的振实密度的同时,还能一定程度缓解硅得体积膨胀效应,最后在锡硅的共同作用下达到提高复合材料容量和倍率性能的目的。酶解碳化后制备的多孔碳极大的缓冲了硅锡在电化学循环过程中体积膨胀,有效抑制材料的粉化。此制备方法原料绿色环保,工艺简单,过程易控,能耗低,属于环境友好型绿色工艺,易于大规模生产和推广。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的复合材料XRD图;
图2是本发明实施例2制备的复合材料倍率性能图;
图3是本发明实施例3制备的复合材料循环性能图;
具体实施方式
本发明提供了一种Sn掺杂Si/C负极材料的制备方法,本领域技术人员可以借鉴本文内容,适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是,所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的,它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述,相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合,来实现和应用本发明技术。
实施例1
(1)将5g玉米淀粉置于三角瓶中,分别加入20mL pH 5.2的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液和0.3mL含有α-淀粉酶和β-淀粉酶的混合酶液(α-淀粉酶和β-淀粉酶质量比为3:1,其中淀粉和淀粉酶质量比为100:1);将三角瓶放在恒温水浴震荡器中,反应瓶置于转速300r/min、45℃的恒温磁力搅拌器上进行酶解反应24h后,得到淀粉乳,酶解反应后的淀粉乳用布氏漏斗过滤、洗涤得到沉淀,即得多孔淀粉;
(2)将多孔中空淀粉放入烧杯并加入去离子水,去离子水和淀粉的体积质量比为mL:g为100:1.5,混匀搅拌制得多孔淀粉溶液;同时称取10gSnCl2·2H2O,5gNaBH4放入另一个烧杯并加入去离子水,在搅拌速率300r/min下常温反应2小时过滤烘干制得单质Sn;同时取适量的Sn和Si(质量比为1:1)加入多孔淀粉溶液,在搅拌速率300r/min,温度为50℃下的恒温水浴锅中进行搅拌混合5h,搅拌后的溶液放入40℃干燥箱中烘干制得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;
(3)将干燥后的锡硅混合物/多孔淀粉复合物置于氩气氛围中,以1℃/min速率升温至800℃,在10Pa真空下高温碳化保温4h后,冷却至室温后制得可逆容量较好的SnSi/生物多孔碳负极材料。该材料的XRD如图1所示,从图中可以看出复合材料颗粒内包含Sn颗粒和Si颗粒,表明材料合成成功。
实施例2
(1)将5g玉米淀粉置于三角瓶中,分别加入20mL pH 5.2的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和0.3mL含有α-淀粉酶、β-淀粉酶(α-淀粉酶和β-淀粉酶质量比为3:1,其中淀粉和淀粉酶质量比为100:1);将三角瓶放在恒温水浴震荡器中,反应瓶置于转速600r/min、45℃的恒温磁力搅拌器上进行酶解反应12h后,得到淀粉乳,酶解反应后的淀粉乳用布氏漏斗过滤、洗涤得到沉淀,即得多孔淀粉;
(2)将多孔中空淀粉放入烧杯并加入去离子水,去离子水和淀粉的体积质量比为mL:g为100:3,混匀搅拌制得多孔淀粉溶液;同时称取10g SnO2,5gC通过高温熔融还原法制备出Sn;同时取适量的Sn和Si(质量比为1:10)加入多孔淀粉溶液,在搅拌速率300r/min,温度为50℃下的恒温水浴锅中进行搅拌混合5h,搅拌后的溶液放入40℃干燥箱中烘干制得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;
(3)将干燥后的锡硅混合物/多孔淀粉复合物置于氩气氛围中,以1℃/min速率升温至700℃,在10Pa真空下高温碳化保温4h后,冷却至室温后制得可逆容量较好的SnSi/生物多孔碳负极材料。对掺Sn和没掺Sn的材料进行倍率性能检测,如图2所示,这主要是归因于Sn和Si的共同作用,是材料的电化学性能得到提高。
实施例3
(1)将5g玉米淀粉置于三角瓶中,分别加入20mL pH 5.2的乙酸-乙酸钠缓冲液和0.3mL含有α-淀粉酶和β-淀粉酶的混合酶液(α-淀粉酶和β-淀粉酶质量比为4:1,其中淀粉和淀粉酶质量比为20:1);将三角瓶放在恒温水浴震荡器中,反应瓶置于转速300r/min、45℃的恒温磁力搅拌器上进行酶解反应24h后,得到淀粉乳,酶解反应后的淀粉乳用布氏漏斗过滤、洗涤得到沉淀,即得多孔淀粉;
(2)将多孔中空淀粉放入烧杯并加入去离子水,去离子水和淀粉的体积质量比为mL:g为100:3,混匀搅拌制得多孔淀粉溶液;同时称取10g Na2SnO3·3H2O,5gNaH放入另一个烧杯并加入去离子水,在搅拌速率300r/min下常温反应2小时过滤烘干制得单质Sn;同时取适量的Sn和Si(质量比为1:5)加入多孔淀粉溶液,在搅拌速率300r/min,温度为50℃下的恒温水浴锅中进行搅拌混合5h,搅拌后的溶液放入40℃干燥箱中烘干制得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;
(3)将干燥后的锡硅混合物/多孔淀粉复合物置于氩气氛围中,以1℃/min速率升温至750℃,在10Pa真空下高温碳化保温4h后,冷却至室温后制得可逆容量较好的SnSi/生物多孔碳负极材料。该材料的循环性能图3所示,从图中容量保持率较大。
Claims (6)
1.一种锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
(1)将淀粉置于容器中,加入淀粉酶液和pH缓冲液,将容器置于恒温磁力搅拌器上20℃~60℃下进行酶解8~24h后,得到含有多孔淀粉的淀粉乳,对淀粉乳进行过滤和洗涤获得多孔淀粉;
(2)在20℃~60℃下将多孔淀粉加入去离子水中搅拌混匀制成多孔淀粉悬浮液,用还原剂将含锡化合物进行还原制得单质Sn,将一定比例Sn和Si放入盛有分散剂的容器中搅拌得到锡硅粉分散液,锡硅粉分散液加入到多孔淀粉悬浮液中混匀制得镶有Sn和Si的淀粉混合液,混合液蒸发干燥后,即得锡硅混合物/多孔淀粉复合物;
(3)将锡硅混合物/多孔淀粉复合物置于惰性气氛中,真空高温条件下碳化1~12h,待冷却至室温后,即得SnSi/生物多孔碳负极材料;
所述含锡化合物为SnCl4· 5H2O、SnCl2· 3H2O、SnCl2· 2H2O、Na2SnO3·3H2O、SnO2、SnO中的一种或多种混合物。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)淀粉为小麦粉、玉米粉、马铃薯粉、豆类粉、木薯粉中的一种或几种任意比混合物;淀粉酶液中的淀粉酶为α-淀粉酶、β-淀粉酶、γ-淀粉酶、异淀粉酶中的一种或任几种任意比混合物;淀粉与淀粉酶的质量比为100~10:1。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于:pH缓冲液为磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、邻苯二甲酸氢钾-氢氧化钠缓冲液中的一种,缓冲液的pH值为4.6~6。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于:所述还原剂为C、NaH、KC8、NaBH4中的一种或多种混合物;制备方法为液相还原法、气相法、熔盐法、水热法、电沉积法中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于:Sn和Si比为1:0.01~1,硅锡混合物与多孔淀粉质量比为1:0.1~1,混合方法为超声法或机械搅拌法。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法,其特征在于:惰性气体为氩气或氮气,碳化真空度为1~50Pa,碳化升温速率为0.1~5℃/min,碳化温度为500~900℃,保温时间为1~12h。
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