一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法及应用，所述方法步骤如下：（1）化学镀铜液的配制；（2）在单质硅粉的表面进行化学镀铜；（3）苯胺在铜镀层表面原位聚合。上述方法制备的胺基功能化硅基负极材料掺杂在石墨中可用于制备锂离子电池的负极材料。本发明通过化学镀的方法在硅粉表面镀上一层金属铜，由于苯胺单体分子中的氮原子有孤对电子，可以与金属铜原子外d层的空轨道发生配位作用，形成活性位点，然后使苯胺单体在铜表面原位聚合，形成聚苯胺，因此可以使硅粉表面胺基功能化，进而改善硅基负极材料在循环中的膨胀、粉化现象，使硅基负极材料具有较高的首次库伦效率与较好的循环稳定性，进一步提高硅基负极材料的循环性能。
【专利说明】一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子电池负极材料和材料表面改性【技术领域】，涉及一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]近些年来，锂离子电池相对于传统的铅酸电池、铁电池、镍氢电池等二次电池有着高能量密度、高输出电压、低自放电、记忆效应小和环境友好等优点，而得到了广泛的应用与研究。锂离子电池关键材料的性能是电池性能的重要决定性因素，负极材料的开发改进是全球性的科研热点。硅材料、碳材料、锡材料、钛酸锂、金属氧化物等负极材料已得到广泛的研究。但这些负极材料组装的锂离子电池体系存在循环性能差、比能量密度低、成本高、安全性差、一致性问题等缺陷，难以满足动力储能电池的要求。
[0003]硅基负极材料由于其理论比容量超过4200 mAh/g、嵌锂电位低、实际比容量大于3000 mAh/g、在自然界的含量丰富、原料价格相对低廉等优点，一直是锂离子电池负极材料的研究热点。但是硅材料的首次库伦效率低、倍率性能差、循环性能差等缺点严重抑制了硅基负极材料在锂离子电池中的大规模应用。
[0004]为了开发循环性能优异的硅基负极材料，研究者已开发了多种技术手段对硅材料进行改性提高。石墨、硬碳、浙青、碳纳米管、纳米碳纤维、金属纳米管等已被用于包覆硅基负极材料。
[0005]CN1865500A、发明名称“一种在娃片上化学镀铜的方法”公开了一种铜改性娃材料的制备方法。该方法是在含铜盐的氢氟酸溶液中，在硅片表面引入铜晶种作为催化剂，进而进行镀铜。该方法存在操作危险、反应时间长等缺点。
[0006]CN101612554A、发明名称“导电聚合物改性活性炭的制备方法”公开了一种利用胺类化合物可控合成胺基功能化碳负极材料的方法。该方法利用常规方法使苯胺单体在活性炭表面进行原位聚合反应，得到活性炭/导电聚合物复合材料。但该方法存在步骤繁琐、反应难以控制等缺点，且过高的成本阻碍了其商业化的进程。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法及应用，该方法简单易行，绿色环保，工艺稳定可靠，重现性好，适用于工业化生产。
[0008]本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将硅粉加入硫酸铜水溶液中，超声分散处理；其中:硅粉的制备方法为气相法、溶胶一凝胶法、沉淀法、微乳液法、球磨法的一种；硅粉的粒径区间范围在20到SOOOnm之间，硫酸铜水溶液浓度为1.5-15g/L，超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为20_30kHz，超声时间为0.5-lh，硫酸铜与硅粉的质量比为0.75:1-7.5:1 ；(2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在保护气氛下，滴加硼氢化钠水溶液至反应完毕，洗涤、抽滤、真空干燥；其中:硼氢化钠水溶液浓度为0.9-9g/L，硼氢化钠水溶液的加入量与硫酸铜水溶液的加入量相同，滴加时间为l_5min,反应时间为5_10min,真空干燥温度为45-55°C，真空干燥时间为10-12 h，铜镀层与硅粉的质量比为1:40-1:3 ；
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将苯胺单体与铜改性硅粉在质子酸的酸性溶液体系中进行超声共混，然后加入过硫酸铵，进行原位聚合，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤后抽滤、真空干燥，得到胺基功能化硅基负极材料；其中:质子酸为盐酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸、对甲苯磺酸、甲基磺酸、正丁基/乙基磷酸、正癸烷基磷酸、苯甲基磷酸、苯甲酸中的一种或几种的混合物，过硫酸铵与苯胺的质量比为1:2-1:4，聚合反应温度为0-10°C，聚合反应时间为4-10 h，真空干燥温度为50-60°C，真空干燥时间为10-12 h，铜改性硅粉与苯胺的质量比为4:1-1:1。
[0009]上述方法制备的胺基功能化硅基负极材料掺杂在石墨中可用于制备锂离子电池的负极材料，其中胺基功能化硅基负极材料占石墨含量的广98%。
[0010]本发明通过化学镀的方法在硅粉表面镀上一层金属铜，由于苯胺单体分子中的氮原子有孤对电子，可以与金属铜原子外d层的空轨道发生配位作用，形成活性位点，然后使苯胺单体在铜表面原位聚合，形成聚苯胺，因此可以使硅粉表面胺基功能化，进而改善硅基负极材料在循环中的膨胀、粉化现象，使硅基负极材料具有较高的首次库伦效率与较好的循环稳定性，进一步提闻娃基负极材料的循环性能。 [0011]本发明的优点如下:
(I)本发明制备的胺基功能化硅基负极材料相对于现有技术的硅基负极具有较高的比容量，特别是对现有娃负极的循环性能进行了大幅改善，惨杂在石墨中以后，对石墨负极材料的性能有很大程度的提升。
[0012](2)本发明显著改善了硅基负极材料的首次库伦效率和循环稳定性，工艺稳定可
O
[0013](3)本发明的胺基功能化硅基负极材料的制备方法是室温条件下进行的，反应均匀，操作简单，工艺稳定可靠，重现性好，适用于推广至工业化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为硅粉表面镀铜前(对比例)的SEM图；
图2为硅粉表面镀铜后的SEM图；
图3为胺功能化硅基负极材料的组装示意图；
图4为各实施例的胺基功能化硅基负极材料和对比例的电化学循环性能图示；
图5为实施例4中胺基功能化硅基负极材料的充放电曲线。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。[0016]实施例1:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 0.75 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0017](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOml 0.45g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:20 ;
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.045 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0-5°C下滴加含有0.0216g过硫酸铵的3.1%体积百分数的盐酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为10 h，反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比约为 4:1。
[0018]图3为胺功能化硅基负极材料的组装示意图，由图3可知，在硅粉表面的铜镀层夕卜，原位合成聚苯胺。
[0019]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量2301.78 mAh/g，首次充放电效率为69.8%，200次循环之后充电容量为1388.14 mAh/g，容量保持在1380 mAh/g以上，具有优异的性能。
[0020]实施例2:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 1.5 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0021](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOmL 0.9 g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:10 ;
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.045 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0-5°C下滴加含有0.0216g过硫酸铵的3.1%体积百分数的盐酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为4-10 h,反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比约为 4:1。
[0022]由图2可见，相对于图1中的对比例而言，团聚后的颗粒外包覆了一层纳米级的铜层。这说明化学镀铜后，使团聚后的颗粒形态“固化”，这可以对硅体积膨胀、从集流体脱落这一问题进行缓解。
[0023]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量2163.76 mAh/g，首次充放电效率为67.3%，200次循环之后充电容量为1601.80 mAh/g，容量保持在1600 mAh/g左右，具有优异的性能。
[0024]实施例3:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 0.75 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0025](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOml 0.45g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:20 ；
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.06 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0_5°C下滴加含有0.0288g过硫酸铵的3.1%体积百分数的盐酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为4-10 h，反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比约为 3:1。
[0026]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量1376.78 mAh/g，首次充放电效率为69%，200次循环之后充电容量为1294.54 mAh/g，容量保持在1290 mAh/g以上，具有优异的性能。
[0027]实施例4:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 1.5 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0028](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOml 0.9g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:10 ;
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.06 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0_5°C下滴加含有0.0288g过硫酸铵的3.1%体积百分数的十二烷基苯磺酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为4-10h，反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比约为3:1。[0029]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量1115 mAh/g，首次充放电效率为67%，200次循环之后充电容量为977.34 mAh/g，容量保持在980 mAh/g左右，具有优异的性能。
[0030]由图5中前三次充放电曲线可见，实施例中的胺基功能化硅基负极材料具有较高的首次效率(67%)。
[0031]实施例5:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料制备方法及应用，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 1.5 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0032](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOml 0.9g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:10 ;
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.06 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0_5°C下滴加含有0.0288g过硫酸铵的3.1%体积百分数的盐酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为4-10 h,反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比为3:1。
[0033](4)将步骤(3)中制得的胺基功能化硅基负极材料以20%的加入比例与石墨混匀，得到具有高容量、良好循环性能的用于锂离子电池的负极材料。
[0034]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料以20%的质量分数加入到石墨中后，该复合材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量730.352mAh/g，首次充放电效率为86%，200次循环之后充电容量为663.26 mAh/g,容量保持在660 mAh/g左右，具有优异的性能。
[0035]实施例6:
本实施例提供一种胺基功能化硅基负极材料制备方法及应用，其实施步骤如下:
(I)化学镀铜液的配制
将0.2g纳米硅粉加入100 mL 1.5 g/L的硫酸铜水溶液中，超声分散处理0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz。
[0036](2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜
将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在氮气保护下，滴加IOOml 0.9g/L硼氢化钠水溶液至反应完毕，滴加时间为lmin，反应时间为5min，洗涤、抽滤、真空干燥，真空干燥温度为55°C，真空干燥时间为10 h，铜镀层与硅粉的质量比约为1:10 ;
(3)苯胺在铜镀层表面原位聚合
将0.06 g苯胺单体与0.2g铜改性硅粉在30mL 3.1%体积百分数的盐酸体系中超声共混0.5 h，超声功率为1.5w/cm，超声频率为30kHz，然后在0_5°C下滴加含有0.0288g过硫酸铵的3.1%体积百分数的盐酸溶液30 mL，进行原位聚合，聚合反应时间为4-10 h,反应结束后，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤2-3次，使用循环水泵抽滤后真空干燥，真空干燥温度为60°C，真空干燥时间为12 h，得到胺基功能化硅基负极材料。铜改性硅粉与苯胺的质量比为3:1。
[0037](4)将步骤(3)中制得的胺基功能化硅基负极材料以50%的加入比例与石墨混匀。
[0038]由图4中电化学循环性能可见，胺基功能化硅基负极材料以50%的比例加入到石墨中后，该复合材料具有良好的循环性能，材料的首次充电容量1267.88 mAh/g,首次充放电效率为75.1%, 200次循环之后充电容量为1037.46 mAh/g，容量保持在1030 mAh/g以上，具有优异的性能。
[0039]对比例为未经处理的单质硅，由图5中合金化硅基负极材料的电化学循环性能可见，材料的首次充电容量为3014.79 mAh/g, 200次循环后充电容量为0.71 mAh/g，首次充放电效率为64.8%，对比例的容量保持率十分不理想。
[0040]表1为各实施例材料循环性能对比。
[0041]表1
【权利要求】
1.一种胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下: (1)化学镀铜液的配制 将硅粉加入硫酸铜水溶液中，超声分散处理，控制硫酸铜与硅粉的质量比为0.75:1-7.5:1 ； (2)在单质硅粉的表面进行化学镀铜 将上述混合溶液转移至三口烧瓶中，在保护气氛下，滴加硼氢化钠水溶液至反应完毕，洗涤、抽滤、真空干燥，即得铜改性硅粉，铜镀层与硅粉的质量比为1:40-1:3 ； (3)苯胺在铜镀层表面原位聚合 将苯胺单体与铜改性硅粉在质子酸的酸性溶液体系中进行超声共混，然后加入过硫酸铵，进行原位聚合，使用蒸馏水和乙醇交替洗涤后抽滤、真空干燥，得到胺基功能化硅基负极材料；其中:过硫酸铵与苯胺的质量比为1:2-1:4，铜改性硅粉与苯胺的质量比为4:1-1:1。
2.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(I)中，硅粉的粒径区间范围在20到8000nm之间。
3.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(O中，硫酸铜水溶液浓度为1.5-15g/L。
4.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，超声功率为1.5-2w/cm，超声频率为20-30kHz，超声时间为0.5_lh。
5.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，硼氢化钠水溶液浓度为0.9-9g/L，滴加时间为l_5min，反应时间为5_10min。
6.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，真空干燥温度为45-55°C，真空干燥时间为10-12h。
7.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，聚合反应温度为0-10°C，聚合反应时间为4-10h。
8.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，质子酸为盐酸、十二烷基苯磺酸、樟脑磺酸、对甲苯磺酸、甲基磺酸、正丁基/乙基磷酸、正癸烷基磷酸、苯甲基磷酸、苯甲酸中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求1所述的胺基功能化硅基负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，真空干燥温度为50-60°C，真空干燥时间为10-12 h。
10.权利要求1-9任一方法制备的胺基功能化硅基负极材料掺杂在石墨中作为锂离子电池负极材料的应用。
【文档编号】H01M4/38GK104009213SQ201410263112
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月14日 优先权日:2014年6月14日
【发明者】高云智, 陈思源, 陈彬 申请人:哈尔滨工业大学