CN114122367A - 一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114122367A
CN114122367A CN202210089108.7A CN202210089108A CN114122367A CN 114122367 A CN114122367 A CN 114122367A CN 202210089108 A CN202210089108 A CN 202210089108A CN 114122367 A CN114122367 A CN 114122367A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon coating
amorphous carbon
nano composite
citric acid
silicon nano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210089108.7A
Other languages
English (en)
Inventor
李伟
张立
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xuzhou Mustard Fuyuan Intelligent Technology Co ltd
Original Assignee
Xuzhou Mustard Fuyuan Intelligent Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xuzhou Mustard Fuyuan Intelligent Technology Co ltd filed Critical Xuzhou Mustard Fuyuan Intelligent Technology Co ltd
Priority to CN202210089108.7A priority Critical patent/CN114122367A/zh
Publication of CN114122367A publication Critical patent/CN114122367A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法，属于电化学材料领域，制备方法包括：将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到初始的柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；利用喷雾热解法制备得到非晶碳涂层硅纳米复合电极材料。本发明的方法工艺简单、价格低廉，有效的在硅纳米晶表面形成碳涂层；同时通过控制加工温度控制了无定形碳含量、碳涂层厚度和碳涂层均匀性，提高了电极的循环稳定性和导电性能。

Description

一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展，能源危机和环境问题已经成为了不可忽视的社会性问题，为了解决这些问题，迫切需要发展清洁、高效、可持续的新能源。在众多的化学电源中，锂离子电池以其能量密度高、使用寿命长、自放电小、无记忆效应和环保等优点得到了广泛的应用。然而，目前锂离子电池的能量密度还不能满足电动汽车和智能电网的更高要求。因此，许多研究者投入了巨大的努力来开发具有令人满意的能量密度的锂离子电池负极材料。
硅基材料因其高理论容量(4200mAh/g)、相对低的放电电位、储量丰富和环境友好性而受到关注。然而，硅具有较差的导电性，并且在充电/放电过程中有大的体积变化(>300%)，因此导致严重的容量衰减和较差的倍率性能。此外，连续的体积变化也可能导致硅基材料表面形成不稳定的SEI层，从而导致库仑效率较低。因此亟待开发出具有新型结构的硅基电极材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法，通过喷雾热解工艺，得到具有均匀的碳涂层的球状硅纳米颗粒，降低硅纳米颗粒在锂离子的嵌入/脱出的体积变化，增加导电性，提高电池性能；通过改变加工温度制备非晶碳含量、碳涂层厚度和碳涂层均匀性不同的非晶碳涂层硅纳米复合材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料的制备方法，包括：
步骤1：将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；
步骤2：将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到步骤1得到的柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；
步骤3：将步骤2得到的前驱体溶液在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料；
步骤4：将步骤3得到的非晶碳涂层硅纳米复合材料与导电剂、粘结剂和分散剂混合后均匀分散到铜箔上得到非晶碳涂层硅纳米复合电极。
进一步的，所述步骤1中无水乙醇的浓度为99.99 wt%。
进一步的，所述步骤2中纳米晶Si粉末的粒径小于100nm。
进一步的，所述步骤2中纳米晶Si粉末与柠檬酸质量比为1:10。
进一步的，所述步骤3中喷雾热解加工温度范围为300~500℃，气氛条件为空气。
本发明还提供了由上述方法制备的非晶碳涂层硅纳米复合电极材料。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
1）硅的价格低廉，储量丰富，具有和较低电位和较高的比容量；2）制备工艺简单，是较为简单的喷雾热解法；3）本发明制备的材料非晶碳涂层有效的降低了硅的体积膨胀，并且提高了导电性。
附图说明
图1为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的SEM图；
图2为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的TEM图；
图3为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的第2、第5、第10和第20次循环差异容量图；
图4为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料在100mA/g的长循环图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
实施例1
在连续搅拌下，将柠檬酸溶解在200mL无水乙醇中。随后，将纳米晶Si粉末以1:10的重量比（Si/柠檬酸）通过超声处理90分钟混合到初始柠檬酸/乙醇溶液中。通过在400°C下在空气中喷雾Si/柠檬酸/乙醇悬浮液，在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料。通过将非晶碳涂层硅纳米复合材料作为活性材料与10wt%炭黑和10wt%聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP，无水，99.5%)溶剂中形成均匀的浆料，然后将其铺展到用作集电器的铜箔上。电极的典型活性质量负载为2-3mg/cm2。随后，将涂覆的电极(平均厚度约为50µm)在真空烘箱中110°C下干燥24小时，然后加压以增强活性材料与导电碳之间的接触。取涂覆的电极作为测试电极材料，在手套箱中进行锂离子半电池组装，采用锂片作为对电极，电解液为商业有机电解液。图1所示为本施例制备的电极材料的SEM图，可以看出复合电极材料颗粒主要是球形附聚物，这是喷雾工艺的典型特征，尺寸范围为5~10μm。图2为TEM图像，球状硅纳米颗粒被非晶碳层均匀包围，碳涂层厚度约为10nm。该结构可以有效的降低硅纳米颗粒的体积膨胀，提高电导率。碳包覆硅纳米复合电极的第2、第5、第10和第20次循环差异容量图如图3所示。可以看出，由碳包覆硅纳米复合材料在400°C空气中喷雾热解组成的电极即使在20次循环后仍保持高活性和可逆性。图4显示了碳包覆Si纳米复合电极在100mA/g的长循环图，碳包覆的硅纳米复合电极在前20次循环中表现出中等容量衰减行为，随后在接下来的80次循环中表现出相对平坦和低容量的衰减行为。碳包覆的硅纳米复合电极的不可逆容量损失每次循环都小于0.4%。100圈循环后容量稳定在1120mAh/g的水平，为硅基高能量密度电极材料提供了可行的方案。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，喷雾热解加工温度为500℃，其它则与实施例1相同。本实施例制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料其形貌类似于实施例1，但碳涂层厚度为1nm，在100mA/g的电流密度下第100圈的放电容量为288mAh/g。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于，喷雾热解加工温度为300°C，其它则与实施例1相同。本实施例制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料其形貌类似于实施例1，但碳涂层厚度为40nm，在100mA/g的电流密度下第100圈的放电容量为116mAh/g。
对比例1
纳米晶Si粒作为活性物质与实施例相同方法涂电极后组装电池测试，在100mA/g的电流密度下衰减极快，第10圈开始稳定，第100圈的放电容量只有10mAh/g。

Claims (6)

1.一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括：
将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；将前驱体溶液在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料；将得到的非晶碳涂层硅纳米复合材料与导电剂、粘结剂和分散剂混合后均匀分散到铜箔上得到非晶碳涂层硅纳米复合电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述无水乙醇的浓度为99.99 wt%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米晶Si粉末的粒径小于100nm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米晶Si粉末与柠檬酸质量比为1:10。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述喷雾热解加工温度范围为300~500℃，气氛条件为空气。
6.由权利要求1~5任一所述方法制备的非晶碳涂层硅纳米复合电极材料。
CN202210089108.7A 2022-01-26 2022-01-26 一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法 Pending CN114122367A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210089108.7A CN114122367A (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210089108.7A CN114122367A (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114122367A true CN114122367A (zh) 2022-03-01

Family

ID=80361690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210089108.7A Pending CN114122367A (zh) 2022-01-26 2022-01-26 一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114122367A (zh)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.H.NG等: "Spray-pyrolyzed silicon/disordered carbon nanocomposites for lithium-ion battery anodes", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113659125B (zh) 一种硅碳复合材料及其制备方法
CN105870452A (zh) 一种正极材料，含有该正极材料的锂离子电池及制备方法
CN111362254A (zh) 一种氮掺杂碳纳米管负载磷掺杂四氧化三钴复合材料的制备方法及应用
CN108172775A (zh) 一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法
CN108172770B (zh) 具有单分散结构特征的碳包覆NiPx纳米复合电极材料及其制备方法
CN116799210A (zh) 复合补锂材料及制备方法、补锂涂层及制备方法和锂电池
CN110957486A (zh) 超结构锡碳-氧化钼复合材料的制备方法及其应用于电极
CN115566170A (zh) 一种高能量密度快充锂离子电池负极材料的制备方法
EP4145476A1 (en) Positive electrode of hybrid capacitor and manufacturing method therefor and use thereof
CN114497508A (zh) 一种功率型人造石墨复合材料及其制备方法
CN112357956A (zh) 碳/二氧化钛包覆氧化锡纳米颗粒/碳组装介孔球材料及其制备和应用
Li et al. Construction of a novel three-dimensional porous lead-carbon network for improving the reversibility of deep discharge lead-carbon batteries
CN117096279A (zh) 一种含锂复合负极的制备，其在锂二次电池中的应用
CN108899520B (zh) 球花状Na3V2O2(PO4)2F-GO纳米复合材料及其制备方法和应用
CN117219777B (zh) 一种补锂剂及其制备方法、正极极片与二次电池
CN112909223A (zh) 一种锂离子电池负极及其制备方法和应用
CN115395018B (zh) 复合补锂材料及其制备方法和应用
CN108987694B (zh) 还原氧化石墨烯包覆的Na4MnV(PO4)3@rGO微米球纳米材料及其制备和应用
CN116470003A (zh) 一种预锂化负极极片及锂离子电池
JP2017069177A (ja) リチウムイオン二次電池用電極材料、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池
CN113782705B (zh) 锂离子电池的正极片及其制备方法、锂离子电池
CN115810733A (zh) 一种改性磷酸锰铁锂材料、其制备方法以及锂离子电池
CN115275168A (zh) 一种高倍率的锂离子电池负极材料及其制备方法
CN115172680A (zh) 一种高容量大倍率锂离子电池及其制备方法
CN111261866B (zh) 一种胶囊结构ZnO/C纳米复合微球材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20220301