一种作为锂离子电池负极的SiC-RG核壳结构复合材料的制备方法_2

文档序号:8320978阅读:来源:国知局
络膜,且硅材料和导电包覆层的界面作用强,两相间的过电位低并存在强的化学键作用,从而可以大大提高电子导电率,而且包覆层与硅材料可以形成连续的三维导电网络并有效提高电子及离子传输能力,大大提高了硅材料的电子导电性能及减少了电荷转移电阻,从而充分发挥活性材料的全部潜力,减少材料的内阻,进而改善锂离子电池的高倍率性、循环性能和充放电比容量;
[0018]三、本发明硅表面包覆层通过多巴胺氧化聚合和诱导还原氧化石墨烯相互协同作用,原位反应锚固于硅表面然后碳化而获得,该包覆层由比较致密的聚多巴胺裂解碳与石墨烯组成,相比现有松散的碳单质外包覆层,大大提高复合材料的振实密度,避免使用有毒还原试剂,实现了氧化石墨烯低温、快速、高效还原,满足环保、高效、低成本、可控还原等多项指标;
[0019]四、本发明的S1C-RG展示了高容量和优良的循环稳定性,作为负极材料组装成锂离子电池后,100mA/g电流密度下首次可逆容量为2200mAh/g,首次库伦效率高达87% ;lA/g电流密度下,首次可逆容量达1200mAh/g,经500次循环后容量保持率为82.5%, 1000循环后容量依然保持在920mAh/g水平。
【附图说明】
[0020]图1为试验一步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末的SEM图;
[0021]图2为试验一步骤二得到的作为锂离子电池负极的S1C-RG核壳结构复合材料的HTEM图,区域A是娃,区域B是包覆层C-RG ;
[0022]图3是试验二得到的循环曲线图,曲线I是循环次数-库伦效率曲线,曲线2是循环次数-比容量曲线。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式为一种作为锂离子电池负极的S1C-RG核壳结构复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:
[0024]一、制备微纳级枝晶硅粉末JfAl-SilO中间合金、Al_Si20中间合金、钠变质剂和稀土变质剂在温度为720°C?760°C感应熔炼炉中加热1min?20min,浇铸到铜制模具中,循环水冷却至室温得到铝硅共晶铸锭,将铝硅共晶铸锭置于HCl溶液中浸泡24h?200h,抽滤、用去离子水洗涤,然后在温度为60°C?80°C和真空条件下干燥1h?24h,得到微纳级枝晶硅粉末;所述的Al-SilO中间合金和Al-Si20中间合金的质量比为1:0.43 ;所述的Al-SilO中间合金与钠变质剂的质量比为1: (0.014?0.043);所述的Al-SilO中间合金与稀土金属的质量比为1:0.0014 ;所述的HCl溶液的体积浓度为5%?10% ;
[0025]二、包覆:将步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末加入到浓度为10mmol/L的三羟基氨基甲烷溶液中,超声分散30min,加入多巴胺,再超声分散30min,得到混合溶液,用浓度为lmol/L的HCl溶液和浓度为lmol/L的NaOH溶液将混合溶液的pH值调节为8.0?8.5,然后滴加浓度为lmg/mL的氧化石墨稀溶液,在转速为200rph?300rph的条件下搅拌12h?36h,抽滤、用去离子水洗涤,然后在温度为60°C?80°C和真空条件下干燥1h?24h,得到Si@PDA-RG,将S1PDA-RG在惰性气氛和温度为750°C?900°C的条件下煅烧Ih?3h,在惰性气体的保护下随炉冷却至室温,得到作为锂离子电池负极的S1C-RG核壳结构复合材料;所述的浓度为lOmmol/L的三羟基氨基甲烷溶液的体积与步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末的质量比为1L: (3g?6g);所述的步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末与多巴胺的质量比为1: (0.2?I);所述的浓度为lmg/mL的氧化石墨烯溶液的体积与多巴胺的质量比为1mT,: (8mg ?12mg)。
[0026]本实施方式的优点:
[0027]一、本实施方式通过设计合金成分并施与复合变质处理结合快速冷却调控共晶铝硅合金的结构形貌,然后酸蚀共晶铝硅合金沥滤干燥而得到微纳结构的枝晶硅,这种铸造合金去合金化制备硅的方法比较于湿化学法具有硅结构形貌可控、高产率、低成本,操作简单、容易实现连续性规模化生产的特点;步骤一中所述的钠变质剂型号为JY-N36A ;
[0028]二、本实施方式硅表面包覆的导电网络膜是由无定型裂解碳与具有超强导电性能的石墨烯组成,这种复合导电材料能在硅材料表面形成很致密的导电网络膜,且硅材料和导电包覆层的界面作用强,两相间的过电位低并存在强的化学键作用,从而可以大大提高电子导电率,而且包覆层与硅材料可以形成连续的三维导电网络并有效提高电子及离子传输能力,大大提高了硅材料的电子导电性能及减少了电荷转移电阻,从而充分发挥活性材料的全部潜力,减少材料的内阻,进而改善锂离子电池的高倍率性、循环性能和充放电比容量;
[0029]三、本实施方式硅表面包覆层通过多巴胺氧化聚合和诱导还原氧化石墨烯相互协同作用,原位反应锚固于硅表面然后碳化而获得,该包覆层由比较致密的聚多巴胺裂解碳与石墨烯组成,相比现有松散的碳单质外包覆层,大大提高复合材料的振实密度,避免使用有毒还原试剂,实现了氧化石墨烯低温、快速、高效还原,满足环保、高效、低成本、可控还原等多项指标;
[0030]四、本实施方式的S1C-RG展示了高容量和优良的循环稳定性,作为负极材料组装成锂离子电池后,100mA/g电流密度下首次可逆容量为2200mAh/g,首次库伦效率高达87 % ; lA/g电流密度下,首次可逆容量达1200mAh/g,经500次循环后容量保持率为82.5 %,1000循环后容量依然保持在920mAh/g水平。
[0031]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一中所述的稀土变质剂是Ce(NO3)。其它与【具体实施方式】一之一相同。
[0032]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一至二之一不同的是:步骤一中所述的Al-SilO中间合金与钠变质剂的质量比为1: (0.02?0.04)。其它与【具体实施方式】一至二之一相同。
[0033]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤二所述的浓度为lOmmol/L的三羟基氨基甲烷溶液的体积与步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末的质量比为lL:5g。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0034]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤二所述的步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末与多巴胺的质量比为1: (0.4?0.6)。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0035]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤二所述的浓度为lmg/mL的氧化石墨稀溶液的体积与多巴胺的质量比为lmL:10mg。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0036]采用下述试验验证本发明效果:
[0037]试验一:本试验为一种作为锂离子电池负极的S1C-RG核壳结构复合材料的制备方法是按以下步骤进行的:
[0038]一、制备微纳级枝晶硅粉末JfAl-SilO中间合金、Al_Si20中间合金、钠变质剂和稀土变质剂在温度为750°C感应熔炼炉中加热20min,浇铸到铜制模具中,循环水冷却至室温得到铝硅共晶铸锭,将铝硅共晶铸锭置于HCl溶液中浸泡100h,抽滤、用去离子水洗涤,然后在温度为80°C和真空条件下干燥24h,得到微纳级枝晶硅粉末;所述的Al-SilO中间合金和Al-Si20中间合金的质量比为1:0.43 ;所述的Al-SilO中间合金与钠变质剂的质量比为1:0.014 ;所述的Al-SilO中间合金与稀土金属的质量比为1:0.0014 ;所述的HCl溶液的体积浓度为10% ;
[0039]二、包覆:将步骤一得到的微纳级枝晶硅粉末加入到浓度为10mmol/L的三羟基氨基甲烷溶液中,超声分散30m
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