一种减少碳排放的多孔硅碳复合材料及其制备

技术领域

本发明涉及新能源电池材料技术领域，特别涉及一种减少碳排放的多孔硅碳复合材料及其制备。

背景技术

随着能源与环境问题的日益突出，新能源的开发与存储迫在眉睫。锂离子电池(LIB)因其高能量密度、高工作电压、低自放电率和无记忆效应等优点而被广泛的使用在移动电话、笔记本电脑、数码摄像机、照相机等便携式电子产品中。随着LIB向电动汽车、混合动力汽车和电网储能等的发展，寻求高能量密度、高功率和操作安全稳定性高的材料尤为迫切。目前，商业应用最为广泛的材料仍为石墨，理论比容量仅为372mAh·g

硅(Si)具有最高的合金化储锂量，比容量为4200mAh·g

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种减少碳排放的多孔硅碳复合材料及其制备。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种减少碳排放的多孔硅碳复合材料，所述多孔硅碳复合材料为核壳结构，所述核壳结构为多孔硅复合碳、多孔硅复合石墨烯或多孔硅复合碳凝胶，分别记为：R-SiO

所述减少碳排放的多孔硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.制备多孔硅R-SiO

S11.将非离子表面活性剂与阳离子表面活性剂按照摩尔比为1:(1～2)混合溶于HCl溶液中，搅拌至溶液澄清后，边搅拌边加入Na

S12.将步骤S11得到的SiO2球与镁粉按照质量比1:1混合研磨，在含5％H

S2.制备碳、石墨烯或碳凝胶包裹的R-SiO

优选地，所述步骤S2中碳包裹的R-SiO

优选地，所述R-SiO

介孔二氧化硅(SBA-15、MCM-41、SiO

优选地，所述步骤S2中石墨烯包裹的R-SiO

优选地，氧化石墨烯的乙醇分散液与R-SiO

为进一步提高SiO

优选地，所述步骤S2中碳凝胶包裹的R-SiO

将R-SiO

将所述R-SiO

将熟化后的产物在高纯Ar下，以1～3℃/min的速率升温至380～450℃，保温2～5h；再以1～3℃/min的速率升温至680～750℃保温2～5h，冷却即得R-SiO

采用间苯二酚与甲醛作为原料，制备了三维导电碳凝胶，与SiO

所述减少碳排放的多孔硅碳复合材料在制备锂电池中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明公开的一种减少碳排放的多孔硅碳复合材料，分别利用葡萄糖、石墨烯、碳凝胶改性多孔纳米硅。以硅酸盐为原料显著降低了电池材料的成本，并且与相同制备条件下制得的商业纳米硅/碳复合材料对比可得三维孔结构可以提供Si体积膨胀所需要的空间，缓解Si的体积效应，显著提高材料的循环性能等电学性能。

附图说明

图1多孔硅复合碳复合材料的充放电测试图，其中，(a)R-SiO

图2多孔硅复合碳复合材料的循环伏安测试图，其中，(a)R-SiO

图3多孔硅复合石墨烯复合材料的循环性能测试图；

图4多孔硅复合碳复合材料的的倍率性能测试图

图5多孔硅复合碳复合材料的交流阻抗图谱；

图6多孔硅复合石墨烯复合材料的电化学性能测试图，其中，(a)R-SiO

图7多孔硅复合石墨烯复合材料的循环性能测试图；

图8多孔硅复合石墨烯复合材料的的倍率性能测试图；

图9多孔硅复合石墨烯复合材料的交流阻抗图谱；

图10多孔硅复合碳凝胶复合材料的充放电测试图，其中，(a),(b)R-SiO

图11多孔硅复合碳凝胶复合材料的循环伏安测试图，其中，(a)R-SiO

图12多孔硅复合碳凝胶复合材料的循环性能测试图；

图13多孔硅复合碳凝胶复合材料的的倍率性能测试图；

图14多孔硅复合碳凝胶复合材料的交流阻抗图谱；

图15多孔硅复合碳凝胶复合材料的冷场发射扫描电镜图；其中，(a)R-SiO

图16多孔硅复合碳凝胶复合材料的元素分布图；其中，(a)R-SiO

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下述实验例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1

一种减少碳排放的多孔硅复合碳材料(R-SiO

(1)多孔硅R-SiO

将1.5mL非离子表面活性剂Triton X-100和1.5g阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解于100mL 3M HCl溶液，n(Triton X-100)∶n(CTAB)的最佳比为1∶1.5，搅拌至表面活性剂全部溶解且溶液变澄清后，边搅拌边加入定量20wt％Na

取已制备的SiO

(2)R-SiO

取450mg的R-SiO2加入到30mL的0.25M的葡萄糖溶液中，超声分散15min，使得Si材料在葡糖糖溶液中分布均匀，将混合液加入以聚四氟乙烯为衬里的反应釜中，180℃反应6h，抽滤，所得的沉淀物用水和乙醇清洗5次，放入80℃真空干燥箱中干燥8h，将产物置于管式炉中，气体氛围为99.999％的高纯Ar，以5℃/min的程序升温速度升至550℃，保持3h，在保护气氛围下自然等却至室温即得。

实施例2

一种减少碳排放的多孔硅复合石墨烯材料(R-SiO

(1)多孔硅R-SiO

(2)R-SiO

取100mg已制备的氧化石墨烯(GO)加入到100mL的无水乙醇中，超声分散30min，制成1wt％的氧化石墨烯悬浮液备用。取300mg的R-SiO

实施例3

一种减少碳排放的多孔硅复合碳凝胶材料(R-SiO

(1)多孔硅R-SiO

(2)R-SiO

取0.3g R-SiO

对比例

制备SBA-15：

取4g p123溶解于150mL 2M的HCl中，搅拌3h待完全溶解后，立刻加入8.4g TEOS，35℃恒温油浴搅拌24h，98℃水热反应24h，再过滤，洗涤，干燥。在空气中，以2℃/min程序升温至600℃，焙烧6h去除模板剂，得SBA-15样品，记为SBA-15。

以制备的SBA-15，以及商业纳米硅颗粒(SiNP)(购买自宏武纳米材料有限公司，材料硅含量在99.999％以上，粒径在100-200nm之间)，按照实施例1、实施例2、实施例3的制备方法获得不同的碳、石墨烯以及碳凝胶复合材料，分别记为：SiNP@C和R-SBA-15@C、SiNP@G和R-SBA-15@G、SiNP@CN和R-SBA-15@CN。

实验例1 R-SiO

在100mA·g

对比R-SiO

R-SiO

实验例2 R-SiO

R-SiO

R-SBA-15@C在100次循环后容量保持率为30.3％，对比可知在同等条件下本文所利用廉价硅酸盐制备的R-SiO

表1 Si/C复合材料材料的电化学性能

实验例3 R-SiO

分别在100，500，1000，2000mA·g

实验例4 R-SiO

为更好的考察硅碳复合材料的电化学特性，对R-SiO

实验例5 R-SiO

在100mA·g

从图6(a)可以看出复合材料的容量经过了一个先上升再下降的过程，这与图6(b)R-SiO

石墨烯对硅基负极优秀的改性效果还可从SiNP@G与R-SBA-15@G复合材料的电化学性能中窥见。在与R-SiO

实验例6 R-SiO

R-SiO

表2 R-SiO

实验例7 R-SiO

分别在100，1000，2000，4000和6000mA·g

实验例8 R-SiO

为更好的探究R-SiO

实验例9 R-SiO

图10(a)为R-SiO

导电碳凝胶包覆优于葡萄糖与石墨烯包覆，这点还从图10(c)、(d)、(e)、(f)SiNP@CN和R-SBA-15@CN的充放电曲线中得出。SiNP@CN在对应电流密度下首次放电比容量分别为1856.5mAh·g

图11(a)、(b)、(c)分别为R-SiO

实验例10 R-SiO

R-SiO

表3硅/碳凝胶复合材料电化学性能

实验例11 R-SiO

分别在100，1000，2000，4000和6000mA·g

实验例12 R-SiO

为更好的探究R-SiO

实验例13 R-SiO2@CN、SiNP@CN、R-SBA-15@CN复合材料的形貌测试

图15(a)、(b)、(c)分为R-SiO

通过SEM/EDX探测R-SiO

图16(b)、(c)分别是SiNP@CN和R-SBA-15@CN的元素分布图，与R-SiO

对多孔硅复合碳、以及多孔硅复合石墨烯材料进行SEM/EDX分析得到了与多孔硅复合碳凝胶相近似的结论，证明Si基材料已经成功被包覆。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。