【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于鋰離子電池負(fù)極材料，具體涉及一種鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、鋰離子電池具有能量密度大、電壓平臺高、自放電低、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，在過去的三十年間迅猛發(fā)展，幾乎占據(jù)了整個消費類電子產(chǎn)品市場，近幾年也開始在電動汽車和大規(guī)模儲能等領(lǐng)域飛速發(fā)展。不斷擴大的應(yīng)用范圍也對鋰電池提出了越來越高的要求，電動車和新能源儲能都需要電池具有更高的能量密度。而傳統(tǒng)石墨負(fù)極的能量密度己接近理論值，未來的提升空間十分有限。目前，世界各國都在開發(fā)比容量更高的鋰離子電池電極材料。
2、硅（si）負(fù)極具有與鋰金屬相當(dāng)?shù)睦碚摫热萘俊⒌偷拿撲囯娢唬?.40v?vs.?li/li+）、低成本以及資源豐富等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ呢?fù)極材料之一。然而，si基材料在充放電時，嚴(yán)重的體積膨脹（>400%）、導(dǎo)電性差（結(jié)晶硅是半導(dǎo)體，所以電子電導(dǎo)率比較低，約為10-3s?cm-1）等問題尚且存在，還不適用于大規(guī)模的商業(yè)發(fā)展，這進一步限制了其實際應(yīng)用。
3、目前，研究最廣泛的解決方案是設(shè)計硅/碳復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用碳基質(zhì)的導(dǎo)電性和提供的緩沖層。復(fù)合后的硅碳材料能夠?qū)烧叩膬?yōu)勢互補，彌補各自的缺點，得到可逆容量和循環(huán)性能都顯著提高的新型復(fù)合負(fù)極材料（如專利文獻申請?zhí)?02010628246.9、名稱一種核殼結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料；申請?zhí)?02010084393.4、名稱一種鋰離子電池用多孔核殼結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的及其制備方法；申請?zhí)?02010084393.4、名稱一種鋰離子電池用多孔核殼結(jié)構(gòu)硅碳
4、因此，為了更大程度的抑制硅的膨脹以及提高其快充能力，需要對硅碳負(fù)極材料進行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，從而緩解循環(huán)過程中硅的體積膨脹以及提高硅碳負(fù)極材料的快速充電能力。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)解決的技術(shù)問題是提供了一種工藝簡單、環(huán)境友好且可大規(guī)模生產(chǎn)的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，該方法構(gòu)筑“原位微電場輔助雙界面保護作用”的三維生物碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通道硅碳負(fù)極材料，不僅解決了硅的體積膨脹，實現(xiàn)了將硅的有害破壞轉(zhuǎn)化為有利過程，而且提高了硅碳負(fù)極材料的快速充放電能力。該結(jié)構(gòu)具有三重保護作用：第一重：利用linbo3的鐵電壓電效應(yīng)將硅的有害膨脹轉(zhuǎn)為有利過程，加速了li+傳輸，實現(xiàn)了電池的快速充放電能力；第二重：構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)碳球?qū)i@linbo3進行空間限域，進一步增強其壓電效應(yīng)，從而盡快將硅的有害膨脹轉(zhuǎn)化為有利；第三重：三維多孔生物碳可彌補因第二重核殼結(jié)構(gòu)碳球不能完全包覆si@linbo3，從導(dǎo)致將硅的有害破壞轉(zhuǎn)化為有利過程的目的失效問題。因此，利用以上三重保護作用構(gòu)筑的多孔生物碳-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料不僅會解決硅負(fù)極的體積膨脹，而且能夠有效提高硅碳負(fù)極材料的快速充放電能力，因此該碳負(fù)極材料能夠用于制備鋰離子電池負(fù)極并進一步組裝成鋰離子電池。
2、本專利技術(shù)為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：一種鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其具體制備步驟為：
3、步驟s1：si@linbo3材料的制備
4、將納米si和linbo3混合均勻得到si@linbo3材料；
5、步驟s2：核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c材料的制備
6、將步驟s1得到的si@linbo3材料分散于有機碳溶液中，于150~200℃水熱反應(yīng)4~12h，再經(jīng)水洗、烘干后在無氧氣氛下于600~800℃煅燒1~3h得到核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c材料；
7、步驟s3：多孔生物碳?xì)饽z的制備
8、將殼聚糖分散于去離子水中得到濃度為3wt%~5wt%的殼聚糖溶液，將殼聚糖溶液在20~40℃水浴條件下攪拌1~3h，再逐滴加入交聯(lián)劑乙酸進行交聯(lián)反應(yīng)，待觀察到殼聚糖溶液完全發(fā)生交聯(lián)凝結(jié)后停止加熱攪拌，將反應(yīng)產(chǎn)物于室溫靜置后分裝到模具中并進行冷凍干燥得到多孔生物碳?xì)饽z；
9、步驟s4：多孔生物碳?xì)饽z-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料的制備
10、將步驟s2得到的核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c材料與無水乙醇混合均勻，再將步驟s3得到的多孔生物碳?xì)饽z浸泡于核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c溶液中，超聲混合均勻后加熱至無水乙醇揮發(fā)，再進行冷凍干燥得到多孔生物碳?xì)饽z-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料；
11、步驟s5：多孔生物碳-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料的制備
12、將步驟s4得到的多孔生物碳?xì)饽z-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料進行微波加熱處理使其內(nèi)部的氣凝膠碳化得到具有三維結(jié)構(gòu)的多孔生物碳-核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料即鋰離子電池硅碳負(fù)極材料，其中微波加熱處理的功率為300~700w，時間為5~10min。
13、進一步限定，步驟s1中所述納米si和linbo3的質(zhì)量比為0.2%~4%:1。
14、進一步限定，步驟s2中所述有機碳溶液的濃度為0.2~1mol/l，該有機碳溶液為蔗糖溶液或淀粉溶液中的一種或多種。
15、進一步限定，步驟s2中所述無氧氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛。
16、進一步限定，步驟s3中所述殼聚糖與交聯(lián)劑乙酸的投料配比為1g:0.5~3ml，所述交聯(lián)劑乙酸的濃度為0.5~1.2mol/l。
17、進一步限定，步驟s3和步驟s4中所述冷凍干燥的溫度均為-80~-50℃，時間均為8~48h。
18、進一步限定，步驟s4中所述核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c材料與多孔生物碳?xì)饽z的質(zhì)量比為0.5~2.5:1。
19、基于上述方法制得的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料在制備鋰離子電池負(fù)極中的應(yīng)用。
20、基于上述方法制得的鋰離子電池負(fù)極用于組裝鋰離子電池。
21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下技術(shù)優(yōu)點和有益效果：
22、1、本專利技術(shù)的交聯(lián)劑乙酸中的羥基可與殼聚糖中的胺基（nh3+）和羥基發(fā)生交聯(lián)作用形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，碳化形成的三維多孔生物碳提高了納米硅的導(dǎo)電性；此外三維多孔生物碳對核殼結(jié)構(gòu)si@linbo3@c復(fù)合材料起到限域保護作用，同時抑制了部分納米si在構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)時未完全包裹而與電解液接觸導(dǎo)致容量快速衰減的極端情況。
23、2、linbo3是一種鐵電壓電材料，當(dāng)li+嵌入硅碳負(fù)極材料時，linbo3由于鐵電效應(yīng)自發(fā)發(fā)生極化，使偶極矩對齊并且linbo3粒子帶電分離，從而形成局部微電場，促進li+的快速傳輸。此外，在嵌li+過程中，si不可避免地產(chǎn)生巨大的體積膨脹（400%）來擠壓linbo3。此時，linbo3的壓電效應(yīng)會進一步增加極化強度，從而加速了li+的傳輸本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.?一種鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于具體制備步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S1中所述納米Si和LiNbO3的質(zhì)量比為0.2%~4%:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S2中所述有機碳溶液的濃度為0.2~1mol/L，該有機碳溶液為蔗糖溶液或淀粉溶液中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S2中所述無氧氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S3中所述殼聚糖與交聯(lián)劑乙酸的投料配比為1g:0.5~3mL，所述交聯(lián)劑乙酸的濃度為0.5~1.2mol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S3和步驟S4中所述冷凍干燥的溫度均為-80~-50℃，時間均為8~48h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟S4中所述
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任意一項所述的方法制得的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料在制備鋰離子電池負(fù)極中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于：所述鋰離子電池負(fù)極用于組裝鋰離子電池。
...【技術(shù)特征摘要】
1.?一種鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于具體制備步驟為：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟s1中所述納米si和linbo3的質(zhì)量比為0.2%~4%:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟s2中所述有機碳溶液的濃度為0.2~1mol/l，該有機碳溶液為蔗糖溶液或淀粉溶液中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟s2中所述無氧氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：步驟s3中所述殼聚糖與交...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉靜杰，許光日，楊理，韓會娟，馬晶晶，趙二慶，李仁龍，黃衛(wèi)峰，王吉超，郭珍珍，劉彬彬，范淑敏，鄧榮，
申請(專利權(quán))人：河南科技學(xué)院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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