一种硅碳复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硅碳复合材料的制备方法，属于碳复合材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]石墨类负极材料具有高的循环效率和良好的循环性能，已被广泛应用于制备锂离子电池负极材料。但其理论比容量仅有372 mAh/g，为此需要开发新型负极材料以提高锂离子电池的电化学性能。目前，硅材料由于具有高容量、资源丰富且与碳材料电位相近等优点，成为锂离子电池负极材料的候选材料。然而，硅材料在高程度脱/嵌锂下，存在着严重的体积效应，易造成结构坍塌、活性物质脱落，电池的循环稳定性大大下降。近年来，人们通过以下方法改善娃材料的循环性能:(I)降低颗粒尺寸；(2)制备娃薄膜；(3)制备娃基复合材料；(4)制备特殊结构的纳米材料，如娃纳米线、核-壳结构材料、球形娃/石墨复合材料等，使得材料在循环过程中保持形貌，提高电极的循环性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法。
[0004]本发明的实现过程如下:
一种硅碳复合材料的制备方法，步骤如下:在密闭容器中，将糖类化合物、高聚物、硅粉和有机溶剂在150?250°C反应后，经干燥、煅烧得到硅碳复合材料，
上述糖类化合物、高聚物、硅粉和有机溶剂的质量比为1:1:0.5:5?1:0.1:0.1:0.5 ;所述的糖类化合物选自单糖或二糖；所述的高聚物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇。
[0005]上述糖类化合物选自葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖。
[0006]上述的有机溶剂选自甲酸、乙酸、丙酸、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二氯甲烷、氯仿、N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯亚砜、N-甲基吡咯烷酮。
[0007]干燥采用冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥。
[0008]最佳反应温度为160?200 °C。
[0009]上述制备方法中的煅烧温度为300?1200°C。
[0010]上述方法制备的硅碳复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。
[0011]本发明的优点:(I)本发明原料易得，成本低，制备过程简单；(2)制备的硅碳复合材料的尺寸小且可控；(3)所制备的复合材料具有较高的比容量、优良的循环性能；(4)在硅碳复合材料中，碳是离子与电子的混合导体，不仅在充放电过程中体积变化小，而且具有良好延展性和弹性，有利于改善硅电极的导电性和缓冲硅的体积变化。
【附图说明】
[0012]图1为实施例1制备的圆柱状凝胶的照片； 图2为实施例1制备的硅碳复合材料的扫描电镜图；
图3为实施例1制备的硅碳复合材料的EDX能谱图。
【具体实施方式】
[0013]实施例1
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.3g硅粉和3mL冰乙酸，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶见图1，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。其扫描电镜图见图2，从图中可以看出，复合材料为球状、尺寸约为100 nm ;其EDX能谱见图3，从图中看出复合材料含有碳、氧、硅三种元素。
[0014]实施例2
在密闭反应Il中，加入Ig果糖、0.1g聚丙稀酸、0.1g娃粉和0.5mL甲酸，在160 °C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经二氧化碳超临界干燥后在氮气气氛下500°C煅烧4小时得到硅碳复合材料。
[0015]实施例3
在密闭反应釜中，加入Ig麦芽糖、0.1g聚丙烯酰胺、0.2g硅粉和3mL乙二醇，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下300°C煅烧4小时得到硅碳复合材料。
[0016]实施例4
在密闭反应釜中，加入Ig乳糖、0.5g聚乙烯醇、0.5g硅粉和5mL乙醇，在250°C下反应4小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1200°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0017]实施例5
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.4g硅粉和3mL 丁醇，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800°C煅烧3小时得到硅碳复合材料。
[0018]实施例6
在密闭反应釜中，加入Ig半乳糖、0.1g聚丙烯酸、0.5g硅粉和3.5mL丙酸，在180°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0019]实施例7
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.1g硅粉和ImL乙腈，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1200°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0020]实施例8
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.1g硅粉和3mL 二氯甲烷，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0021]实施例9 在密闭反应釜中，加入Ig蔗糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.2g硅粉和3mL氯仿，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800°C煅烧4小时得到硅碳复合材料。
[0022]实施例10
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.3g硅粉和0.5 mLN，N-二甲基甲酰胺，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下800°C煅烧3小时得到硅碳复合材料。
[0023]实施例11
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.4g硅粉和3mL N，N-二甲基乙酰胺，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0024]实施例12
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.5g硅粉和ImL 二甲基亚砜，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0025]实施例13
在密闭反应釜中，加入Ig蔗糖、Ig聚乙二醇(PEG-4000)、0.1g硅粉和2mL甲醇，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0026]实施例14
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.2g硅粉和3mL 二氯亚砜，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下500°C煅烧2小时得到硅碳复合材料。
[0027]实施例15
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、0.1g聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.1g硅粉和2.5mLN-甲基吡咯烷酮，在200°C下反应8小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1000°c煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0028]实施例16
在密闭反应釜中，加入Ig葡萄糖、Ig聚乙烯吡咯烷酮(K30)、0.5g硅粉和5mL异丙醇，在150°C下反应10小时，反应结束后得到圆柱状凝胶，凝胶经冷冻干燥后在氮气气氛下1200°C煅烧I小时得到硅碳复合材料。
[0029]实施例17电化学性能测试
测试实施例1所制备的硅碳复合材料在2032型纽扣电池中的循环性能。
[0030]电极材料组成为活性材料:导电剂:PVDF的质量比为70:20:10 ;
对电极为金属锂片；
电解液为I mo I/L LiPF6的EC/DMC (体积比为1:1)溶液；
隔膜为Cellgard2400隔膜。
[0031]测试结果表明，本发明制备的硅碳复合材料首次放电容量为1983.1 mAh/g，充电容量1685.5 mAh/g，首次库伦效率为85%。循环100次后，电极可逆容量为1275.8 mAh/g,说明该材料具有高容量、良好的稳定性。
【主权项】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:在密闭容器中，将糖类化合物、高聚物、硅粉和有机溶剂在150?250°C反应后，经干燥、煅烧得到硅碳复合材料， 所述糖类化合物、高聚物、硅粉和有机溶剂的质量比为1:1:0.5:5?1:0.1:0.1:0.5 ;所述的糖类化合物选自单糖或二糖；所述的高聚物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述糖类化合物选自葡萄糖、果糖、半乳糖、鹿糖、麦芽糖、乳糖。3.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述的有机溶剂选自甲酸、乙酸、丙酸、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丁醇、乙腈、二氯甲烷、氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、二氯亚砜、N-甲基吡咯烷酮。4.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:干燥采用冷冻干燥或二氧化碳超临界干燥。5.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:反应温度为160?200。。。6.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于:煅烧温度为300?1200。。。7.权利要求1所述制备方法得到的硅碳复合材料。8.权利要求7所述的硅碳复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。
【专利摘要】本发明涉及一种硅碳复合材料的制备方法，属于碳复合材料制备技术领域。其具体步骤为在密闭容器中，将糖类化合物、高聚物、硅粉和有机溶剂在150～250℃反应后，经干燥、煅烧得到硅碳复合材料。本发明方法所需原料易得，成本低，制备过程简单；所制备的硅碳复合材料的尺寸小且可控，并具有较高的比容量、优良的循环性能。
【IPC分类】H01M10/0525, H01M10/058, H01M4/36, H01M4/139
【公开号】CN104993112
【申请号】CN201510344564
【发明人】党桃桃
【申请人】西安博纳材料科技有限公司
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年6月23日