CN113104835B - 一种二维硅碳纳米片负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维硅碳纳米片负极材料及其制备方法，涉及锂离子电池技术领域。该制备方法通过引入纳米纤维素作为结构单元，引导自身与聚多巴胺通过脱水缩合反应紧密结合形成良好的二维网络结构，同时，硅纳米粒子均匀的嵌入二维网络中，经过碳化处理，一步得到二维硅碳纳米片复合材料。此制备方法合成条件温和，合成步骤简单，有效缩减了制备二维硅碳纳米片复合材料的工艺流程。利用本发明方法制得的二维硅碳纳米片得益于其良好的二维结构及硅纳米颗粒的均匀分布，大大缓解了硅在充放电过程中的体积膨胀效应，有望极大地提高其在锂离子电池的性能表现。

Description

一种二维硅碳纳米片负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种二维硅碳纳米片负极材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环境友好等优点，在便携式设备、车载设备和电化学储能等领域得到了广泛的应用；然而，如何在满足日益增长的电性能需求是当前锂离子电池面临的一个关键挑战。
二维硅碳纳米片复合材料利用碳的高导电性、硅超高的理论容量(4100mAh g-1)和良好的结构稳定性，三者协同，可以有效提高材料的电化学性能，为开发高性能锂离子电池提供了巨大的机会；然而，二维碳基复合材料的制备通常涉及二维碳材料的预合成，其中大部分是石墨烯或者碳布，随后通过物理混合、溶剂热和电化学沉积等方法将高活性物质(如Si、SiO2及Fe2O3等)掺入或嵌入；尽管这些方法极大地推进了二维复合材料的发展，但它们往往需要严格的反应条件，高昂的成本和复杂的合成步骤；鉴于此，开发一种简便高效合成二维硅碳纳米片复合材料的方法具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、高效合成二维硅碳纳米片负极材料的方法，以解决上述背景技术中提出的缺陷和不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米纤维素和纳米硅粉分别在一定浓度的Tris溶液中超声一定时间，分别得到纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液；
(2)将步骤(1)所得纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液经过搅拌混合均匀后，加入多巴胺，搅拌反应，反应完成后，经过纯化、干燥得到硅碳纳米片负极材料前驱体样品；
(3)在氮气保护下，将步骤(2)中所得样品置于管式炉中进行碳化处理，得到所述二维硅碳纳米片负极材料。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述纳米纤维素的直径尺寸为20-150nm，纳米硅粉粒径为20-300nm。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述Tris溶液浓度为1-30mmol/L，超声时间为20-60min。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述纳米纤维素、纳米硅粉与Tris溶液的质量体积比为0.1-2:0.1-2:100-2000。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，所述多巴胺和所述纳米硅粉的质量比为1:0.5-5。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，反应时间为6-30h，反应温度10-60℃；所述纯化为离心洗涤1-5次，离心速率为6000-10000rpm，每次离心时间为1-20min。
上述的制备方法，优选的，步骤(3)，所述碳化处理的温度为450-900℃、时间为1-10h、升温速率为5℃/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，首先将纳米纤维素和纳米硅粉分别置于Tris溶液中超声处理，得到均匀的纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液，两者混合均匀后，再加入多巴胺，反应后得到前驱体材料，最后经过碳化处理，一步制得二维硅碳纳米片负极材料。二维硅碳纳米片负极材料碳骨架中均匀分布的硅纳米颗粒，硅具有超高的理论容量，同时，二维碳纳米片结构不仅提高了材料的导电性，而且抑制了硅在循环过程中的体积膨胀，两者协同，可极大地提高材料的电化学性能。
本发明的制备方法，工艺流程短，反应条件温和，操作简单，工艺成本低，生产效率高。
附图说明
图1为本发明二维硅碳纳米片负极材料制备方法的流程图；
图2为本发明二维硅碳纳米片负极材料的(a)SEM和(b)局部放大图；
图3为本发明二维硅碳纳米片负极材料的TEM图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解。下面将结合本发明实施例中的附图，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
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，称取0.5g纳米纤维素(平均直径尺寸为80nm)，0.4g纳米硅粉(平均粒径为30nm)分别置于250ml Tris溶液中超声40min，得到均匀的纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液；
步骤(2)，称取0.5g多巴胺依次加入至步骤(1)所得溶液中，磁力搅拌反应12h，反应结束后，经过纯化、干燥得到硅碳纳米片负极材料前驱体样品。
步骤(3)，在氮气保护下，将步骤(2)所得的前驱体样品置于管式炉中在700℃下高温处理3h，即可得到二维硅碳纳米片复合材料。
实施例2
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中纳米硅粉的粒径为100nm。
实施例3
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中纳米硅粉的粒径为200nm。
实施例4
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中纳米硅粉的粒径为300nm。
实施例5
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(2)中多巴胺的加入量为0.2g。
实施例6
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中纳米硅粉的加入量为2g。
实施例7
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(3)中碳化温度为600℃。
实施例8
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(3)中碳化温度为800℃。
对比例1
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中加入纳米硅粉的粒径为15nm。
对比例2
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中加入纳米硅粉的粒径为500nm。
对比例3
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(1)中纳米硅粉的加入量为3g。
对比例4
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(2)中多巴胺的加入量为2.5g。
对比例5
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(3)中碳化温度为400℃。
对比例6
本实施例提供了一种本发明的二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，与实施例1制备方法的不同之处在于，所述步骤(3)中碳化温度为1000℃。
表1电化学性能测试结果
Figure BDA0002956238860000051
Figure BDA0002956238860000061
由表1数据对比可以看出以下规律：
(1)在相同的制备工艺下，采用20-300nm的纳米硅粉制备的二维硅碳负极材料电性能明显优于对比样，由此可见，纳米硅粉的粒径对于材料的性能的有较大的影响；
(2)在相同的制备工艺下，加入适当比例的多巴胺与纳米硅粉制备的二维硅碳负极材料电性能保持稳定，且明显优于对比样，这是由于多巴胺的用量会影响材料的结构，进一步影响材料性能。由此可见，适当比例的多巴胺对提高材料性能是十分重要的；
(3)在相同的制备工艺下，在450-850℃温度范围内碳化所得的材料性能性能表现相对于对比样稳定且优异，这是由于过低或过高的温度会影响材料的成分及结构，进而影响材料的性能。
由此可以看出，在本发明限定的制备方案及工艺参数下，制得的二维硅碳负极材料，具有优异的电化学性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二维硅碳纳米片负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米纤维素和纳米硅粉分别在一定浓度的Tris溶液中超声一定时间，分别得到纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液,所述纳米纤维素的直径尺寸为20-150nm，纳米硅粉粒径为20-300nm；
(2)将步骤(1)所得纳米纤维素分散液和纳米硅粉分散液经过搅拌混合均匀后，加入多巴胺，所述多巴胺和所述纳米硅粉的质量比为1:0.5-5,搅拌反应，反应完成后，经过纯化、干燥得到硅碳纳米片负极材料前驱体样品；
(3)在氮气保护下，将步骤(2)中所得样品置于管式炉中进行碳化处理，得到所述二维硅碳纳米片负极材料,所述碳化处理的温度为450-900℃、时间为1-10h、升温速率为5℃/min。
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Tris溶液浓度为1-30mmol/L，超声时间为20-60min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述纳米纤维素、纳米硅粉与Tris溶液的质量体积比为0.1-2:0.1-2:100-2000。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，反应时间为6-30h，反应温度10-60℃；所述纯化为离心洗涤1-5次，离心速率为6000-10000rpm，每次离心时间为1-20min。
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