CN111900397A - 一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法及其产品和应用，配制乙醇和水的混合溶液，将表面活性剂溶于此混合溶液中，加入纳米硅粉体，超声波搅拌。加入柠檬酸搅拌，将混合物转移至水热反应釜中进行水热反应。将所得的前驱体放入保护气氛的管式炉中煅烧。将煅烧所得粉体用氢氟酸洗涤，干燥,最终得到碳包覆的硅纳米微球负极材料。此方法具有包覆层均匀的优点，可以有效抑制充放电过程中的体积膨胀，有利于提高材料的循环寿命及安全性能。本发明方法得到的碳包覆硅纳米球负极材料具有更高的克容量，有效抑制体积膨胀造成的容量衰减问题，使材料的稳定性明显改善。

Description

一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法及其产品和应用
技术领域
本发明涉及一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法，具体涉及到一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法及其应用。
背景技术
近年来，作为清洁新能源之一的锂离子电池已被广泛应用于移动电源和电动汽车上。尽管锂离子电池在可充电池中具有最高的能量密度，但是其循环稳定性，倍率性能，容量的进一步改善和提高依然是主要的研究方向。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，也是锂离子电池进一步研发的重点。目前，石墨类负极材料是当前商业化应用规模最大的负极材料，但其能量密度低，随着锂离子电池的飞速发展，对于高能量密度材料的需求使我们不得不放眼于开发新型的大倍率负极材料。
Si具有高能量密度，但其充放电过程产生的体积膨胀限制了它的应用。在锂化过程中最大可产生约400%的体积变化，因此，如何开发出一种高容量，循环性能稳定而又能有效抑制硅体积膨胀的负极材料是目前此领域的研究重点。本发明研究了碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法，可以获得碳包覆层均匀的硅负极材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法。
本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的碳包覆硅纳米球负极材料产品。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按1:1的比例配制乙醇和水的混合溶液，将表面活性剂溶于此混合溶液中后，加入纳米硅粉体，使所述的表面活性剂与纳米硅粉的质量比为（1-1.2）：1，超声波搅拌处理得混合物；
（2）向步骤（1）的混合物中加入柠檬酸，所述的柠檬酸与纳米硅粉的质量比为（3-4）:1，继续搅拌得混合物；
（3）将步骤（2）混合物转移至水热反应釜中进行水热反应，得前驱体；
（4）将水热反应所得的前驱体放入保护气氛的管式炉中煅烧得粉体；
（5）将煅烧所得粉体用氢氟酸洗涤，干燥, 最终得到碳包覆的硅纳米微球负极材料。
其中，步骤（1）中，所述的表面活性剂为月桂醇聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种，超声波搅拌时间为4小时。
步骤（2）中，所述搅拌时间为2小时。
步骤（3）中，所述水热反应温度为150℃-200℃，保温时间为12-15小时。
步骤（4）中，所述的管式炉煅烧温度为700-800℃，保温时间为5-8小时。
步骤（5）中，所述的氟化氢溶液浓度为重量比10%，洗涤时间为5-30分钟。
本发明还提供了一种碳包覆硅纳米球负极材料，根据上述任一所述方法制备得到。
本发明也提供了一种碳包覆硅纳米球负极材料作为锂离子电池负极材料的应用。
本发明提出了一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法，提供一种制备工艺简单，可操作性强，包覆层均匀的硅碳负极材料制备方法。制备的负极材料具有高的克容量，有效抑制体积膨胀造成的容量衰减问题，使材料的具有优良的倍率性能和高的循环稳定性。
附图说明
图1为实施例1倍率循环图；
图2为实施例1循环图。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明进行详细的描述，这些描述仅仅是解释本发明，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1：
一种碳包覆硅纳米球负极材料，按以下步骤制备：
（1）按1:1的比例配制乙醇和水的混合溶液60ml，将3g表面活性剂月桂醇聚氧乙烯醚溶于此混合溶液中后，加入3g商业纳米硅粉体，使所述的表面活性剂与纳米硅粉的质量比为（1-1.2）：1，超声波搅拌处理4小时得混合物；
（2）向步骤（1）的混合物中加入9g柠檬酸，继续超声波搅拌2小时得混合物；
（3）将步骤（2）混合物转移至水热反应釜中进行水热反应，温度为150℃，保温时间为15小时，得前驱体；
（4）将水热反应所得的前驱体放入保护气氛的管式炉中750℃煅烧5小时得粉体；
（5）将烧结的粉体用重量比10%氢氟酸洗涤，时间30分钟，干燥后得到碳包覆的硅纳米微球负极材料。
将粉体装成扣式电池，进行测试，得到倍率循环及循环曲线，如图1和图2所示。图1为倍率0.2C到5C循环6次得到的曲线，材料在小倍率和大倍率充放电都表现出稳定的比容量，倍率性能良好。图2中材料以0.3C充放电循环，比容量几乎没有衰减，循环性能亦佳。
实施例2：
一种碳包覆硅纳米球负极材料，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1） 将3g脂肪醇聚氧乙烯醚和2.5g纳米硅粉加入到重量比为1:1的60ml乙醇水溶液中，超声波搅拌处理4小时得分散均匀的混合物；然后
（2）向混合物中加入10g柠檬酸，继续超声波搅拌2小时；
（3）超声波处理后将混合物转移至水热反应釜中进行水热反应，温度为200℃，保温时间为12小时；
（4）反应结束后将混合物放置于管式炉中煅烧，煅烧温度为800℃，保温时间为6小时；
（5）将烧结的粉体用重量比10%氟化氢溶液洗涤，时间30分钟，干燥后即得碳包覆硅纳米球负极粉体。
实施例3：
一种碳包覆硅纳米球负极材料，与实施例1近似，按以下步骤制备：
（1）将2.5g脂肪醇聚氧乙烯醚和2.5g纳米硅粉加入到重量比为1:1的60ml乙醇水溶液中，超声波搅拌处理4小时得混合物；
（2）向混合物中加入8g柠檬酸，继续超声波搅拌2小时；
（3）超声波处理后将混合物转移至水热反应釜中进行水热反应，温度为180℃，保温时间为15小时；
（4）反应结束后将混合物放置于管式炉中煅烧，煅烧温度为700℃，保温时间为8小时；
（5）将烧结的粉体用重量比10%氟化氢溶液洗涤，时间30分钟，干燥后即得碳包覆硅纳米球负极粉体。

Claims (8)

1.一种碳包覆硅纳米球负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按1:1的比例配制乙醇和水的混合溶液，将表面活性剂溶于此混合溶液中后，加入纳米硅粉体，使所述的表面活性剂与纳米硅粉的质量比为（1-1.2）：1，超声波搅拌处理得混合物；
（2）向步骤（1）的混合物中加入柠檬酸，所述的柠檬酸与纳米硅粉的质量比为（3-4）:1，继续搅拌得混合物；
（3）将步骤（2）混合物转移至水热反应釜中进行水热反应，得前驱体；
（4）将水热反应所得的前驱体放入保护气氛的管式炉中煅烧得粉体；
（5）将煅烧所得粉体用氢氟酸洗涤，干燥, 最终得到碳包覆的硅纳米微球负极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的表面活性剂为月桂醇聚氧乙烯醚和脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种，超声波搅拌时间为4小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述搅拌时间为2小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述水热反应温度为150℃-200℃，保温时间为12-15小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述的管式炉煅烧温度为700-800℃，保温时间为5-8小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述的氟化氢溶液浓度为重量比10%，洗涤时间为5-30分钟。
7.一种碳包覆硅纳米球负极材料，其特征在于根据权利要求1-6任一所述方法制备得到。
8.一种根据权利要求7所述碳包覆硅纳米球负极材料作为锂离子电池负极材料的应用。
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