專利名稱：一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，屬于化工電極材料制造エ藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋰離子電池自從上世紀(jì)90年代初成功開發(fā)以來，就以其比能量高、工作電壓高、 應(yīng)用溫度范圍寬、自放電率低、循環(huán)壽命長、無污染等獨特優(yōu)勢而倍受關(guān)注，并在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等小型便攜式電子產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。近年來，為應(yīng)對汽車エ業(yè)迅猛發(fā)展帶來的諸如環(huán)境污染、石油資源急劇消耗等負(fù)面影響，美國、日本、中國等國家都在積極開展采用清潔能源的電動汽車EV以及混合動カ車HEV的研發(fā)工作。而鋰離子電池作為未來電動汽車最主要的候選動カ電源，具有成本低廉、性能優(yōu)異的特點，已成為國際動カ電池領(lǐng)域的主要研究熱點，其中作為提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一的性能優(yōu)良電極材料的開發(fā)一直是研究的重點。目前，在鋰離子電池中應(yīng)用的主要負(fù)極材料是傳統(tǒng)的石墨類碳材料，碳材料本身具有充放電過程中電壓穩(wěn)定、循環(huán)性能好等優(yōu)點，但隨著人們對高容量特性的追求，碳材料由于理論容量僅為372mAh/g而顯示出了一定的局限性。近些年，ー些非碳負(fù)極材料由于具有高的比容量和脫嵌鋰電位及由此帶來的更為優(yōu)異的安全性能，已成為鋰離子電池負(fù)極材料研究的熱點之一。硅系材料即是這樣ー種高容量負(fù)極材料，其最高理論值比容量可達(dá) 4200mAh/g,且與電解液反應(yīng)活性低，該材料在自然界的含量豐富，原料價格低廉，作為新型鋰離子電池負(fù)極材料具有很好的前景和潛力。但由于硅在高度脫嵌鋰條件下存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)，材料粉化嚴(yán)重，導(dǎo)致其較差的循環(huán)穩(wěn)定性，容量衰減很快。近年來研究人員對硅基負(fù)極材料進(jìn)行了一系列的改性研究，包括對硅的納米化、用碳層包覆硅及制備硅合金復(fù)合材料等等，但硅負(fù)極材料的循環(huán)性能并未得到根本改善。本發(fā)明選擇多孔碳作為硅的復(fù)合載體，利用多孔碳材料結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的孔隙及良好的導(dǎo)電性，通過熱還原法使單質(zhì)硅沉積在多孔碳的孔道結(jié)構(gòu)中，制備得到硅-多孔碳復(fù)合材料，改善了硅負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，具有一定的推廣價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有鋰離子電池硅負(fù)極材料粉化嚴(yán)重、導(dǎo)電性差，容量衰減快及循環(huán)穩(wěn)定性差的問題，以改善鋰離子電池硅負(fù)極材料的電化學(xué)性能，提供了ー種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，具體步驟為1)將金屬還原劑和ニ氧化硅粉末按摩爾比為1 10 1研磨混合均勻；2)將多孔碳加入步驟1)得到的混合粉末中，其中多孔碳和ニ氧化硅質(zhì)量比為 1 0.2 20，研磨使三種粉末混合均勻；
3)將步驟2)得到的粉末移至管式爐中，通入惰性氣體，加熱發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)時間為2 24h ；4)反應(yīng)結(jié)束后，待管式爐溫度冷卻至室溫，取出產(chǎn)物加入到濃度為0. 1 2mol/L 的鹽酸中，浸泡4 Mh，再用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性；5)將步驟4)得到的產(chǎn)物加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 40%的氫氟酸溶液中，浸泡時間為IOmin 池，用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性，將濾餅真空烘干，得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅-多孔碳復(fù)合負(fù)極材料。上述步驟1)中金屬還原劑為鎂粉或者鋁粉；上述步驟3)中加熱溫度為500 1000°C，加熱速率為5°C /min ；惰性氣體為氬氣或氮氣。有益效果本發(fā)明的制備エ藝簡單易行，制備參數(shù)可控性強(qiáng)，制備所得的硅-多孔碳復(fù)合材料具有納米多孔結(jié)構(gòu)，為硅的體積膨脹提供了一定的緩沖空間，同時碳的引入增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，用作鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出高的充放電比容量和良好的循環(huán)性能。


圖1為實施例制備的硅-多孔碳負(fù)極材料的SEM形貌圖；圖2為硅-多孔碳負(fù)極材料在100mA/g下充放電時比容量及庫倫效率變化曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做詳細(xì)說明實施例一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，具體步驟為1)將Ig鎂粉和Ig ニ氧化硅粉末在研缽中充分研磨使其混合均勻；2)將0. 94g多孔碳(介孔、孔徑為30 50nm)加入到步驟1)得到的混合粉末中， 充分研磨使三種粉末混合均勻；3)將以上三種混合粉末移至管式爐中，通入氬氣，加熱，加熱溫度為650°C，加熱速率為5°C /min,反應(yīng)時間為Mi ；4)反應(yīng)完成后，待管式爐溫度冷卻至室溫，取出產(chǎn)物加入到濃度為0. 5mol/L的鹽酸中，浸泡他，再用去離子水洗滌、抽濾反復(fù)5次后濾液pH呈中性；5)將步驟4)得到的產(chǎn)物加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氫氟酸溶液中，浸泡時間為池， 用去離子水洗滌、抽濾反復(fù)6次后濾液pH呈中性，將抽濾產(chǎn)物真空120°C烘12h，得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅-多孔碳復(fù)合負(fù)極材料，其SEM形貌圖如圖1所示。將得到的硅-多孔碳復(fù)合負(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料后進(jìn)行充放電比容量和循環(huán)性能測試硅-多孔碳負(fù)極材料與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑混合制成電極片作為工作電扱，金屬鋰為對電極，lmol/L的LiF6/EC-DMC (體積比1 1)為電解液，在氬氣氣氛手套箱中裝配成模擬電池。對模擬電池進(jìn)行充放電測試，電壓范圍為0. 01 2V(vs. Li+/Li)，電流密度為100mA/g。
測試結(jié)果硅-多孔碳負(fù)極材料在100mA/g下充放電時比容量及庫倫效率變化曲線如圖2所示，其首次放電(嵌鋰)比容量及充電(脫鋰)比容量分別為2185. 9mA· h/ g、1220.9mA*h/g，循環(huán)30周后其放電(嵌鋰)比容量及充電(脫鋰)比容量分別為 672. 3mA · h/g、653. 9mA · h/g。
權(quán)利要求
1.一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，其特征在于具體步驟為1)將金屬還原劑和ニ氧化硅粉末按摩爾比為1 10 1研磨混合均勻；2)將多孔碳加入步驟1)得到的混合粉末中，其中多孔碳和ニ氧化硅質(zhì)量比為 1 0. 2 20，研磨使三種粉末混合均勻；3)將步驟2)得到的粉末移至管式爐中，通入惰性氣體，加熱發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)時間為2 24h ；4)反應(yīng)結(jié)束后，待管式爐溫度冷卻至室溫，取出產(chǎn)物加入到濃度為0.1 2mol/L的鹽酸中，浸泡4 Mh，再用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性；5)將步驟4)得到的產(chǎn)物加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 40%的氫氟酸溶液中，浸泡時間為 IOmin 池，用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性，將濾餅真空烘干，得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅-多孔碳復(fù)合負(fù)極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，其特征在于步驟1)中的金屬還原劑為鎂粉或者鋁粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，其特征在于步驟3)中加熱溫度為500 1000°C，加熱速率為5°C /min ；惰性氣體為氬氣或氮氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備鋰離子電池硅-多孔碳負(fù)極材料的方法，屬于化工電極材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。將鎂粉或鋁粉和二氧化硅混合均勻，然后加入多孔碳，將得到的粉末移至管式爐中，通入惰性氣體，加熱反應(yīng)結(jié)束后，待管式爐溫度冷卻至室溫，取出產(chǎn)物加入到鹽酸中，再用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性；然后加入到氫氟酸溶液中，用去離子水洗滌、抽濾至濾液pH呈中性，將濾餅烘干，得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅-多孔碳復(fù)合負(fù)極材料。本發(fā)明的方法簡單易行，制備參數(shù)可控性強(qiáng)，所得產(chǎn)物具有納米多孔結(jié)構(gòu)，為硅的體積膨脹提供了一定的緩沖空間，同時碳的引入增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性，用作鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出高的充放電比容量和良好的循環(huán)性能。
文檔編號H01M4/38GK102569759SQ201210001848
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者吳伯榮, 張存中, 林靜, 沈雪陽, 穆道斌, 陳實, 陳顯建 申請人:北京理工大學(xué)