[發明專利]一種以硅藻土為原料制備多孔硅/炭復合材料及應用

有效

• 申請號: 201110122231.6
• 申請日: 2011-05-12
• 公開（公告）號: CN102208636A
• 公開（公告）日: 2011-10-05
• 發明（設計）人: 范麗珍;王明珊;陶華超
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/139
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 劉淑芬

1.一種以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料，其特征在于：組分以質量分數計：炭的含量占2-98?%，硅的含量占98-2?%；多孔硅孔徑在0.01納米至10微米，該硅/炭復合物的粒徑在10納米至50微米之間。

2.據權利要求1所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料，其特征在于制備過程如下：

(1)?首先將硅藻土原礦磨碎，與水按質量比1:1-50混合浸漬并加入1-50毫升濃度為0.01摩爾/升的NaOH做分散劑，強力攪拌1-24小時后靜置1-48小時，吸出上層懸浮漿料，將漿料經過離心分離或者過濾干燥；

并在空氣氣氛下升溫至300-1000?℃，煅燒2-80?小時去除有機質，最后在濃度為1-50?%的硫酸溶液中25-100?℃下浸泡1-50小時，最后經洗滌干燥得到純度較高的硅藻土；

(2)?將經步驟(1)處理后的硅藻土采用金屬熱還原法制備多孔硅：采用鎂、鋁、鋰、鈉或鉀金屬粉末做還原劑，將硅藻土與還原劑按照比例1:0.1-20混合后，在惰性氣氛保護下，升溫至60-1000?℃之間，還原1-48小時，之后冷卻至室溫；

所得產物最后在濃度為1-50%的鹽酸或者硫酸中浸泡去除雜質，再經洗滌干燥，得到具有多孔結構的硅；

(3)?多孔硅/炭復合材料的制備：將步驟(2)制備所得的多孔硅與炭的前驅體按質量比1-5:1混合溶于相應的溶劑，超聲分散2-8小時，將分散后的混合溶液在惰性氣氛保護下熱價炭化或水熱炭化制備多孔硅/炭復合材料；?其中，熱解炭化的工藝條件為溫度600-1500?℃，保溫6-20?小時；水熱炭化的工藝條件為：溫度為180-220?℃下水熱反應12-48?小時，混合物體積占反應體積的50?%-90?%，將得到的混合溶液離心取固體物，再在惰性氣體保護下，400-1000?℃之間炭化2-24?小時。

3.根據權利要求2所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，其特征在于，所述惰性氣氛包括氮氣、氬氣和/或氦氣。

4.根據權利要求2所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，其特征在于，所述的炭的前軀體包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙二醇、瀝青、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、抗壞血酸、纖維素、酚醛樹脂、炭凝膠。

5.根據權利要求2所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，其特征在于，所述步驟（3）還可采用：將多孔硅與炭材料按質量1-5:1混合，在惰性氣氛保護下高能球磨機中球磨10-24?小時，球磨機轉速為300-800轉/分，再將混合物分散在炭的前軀體溶液中，在惰性氣體保護下，400-1000?℃之間炭化2-24?小時，得到了硅/炭復合材料；所述炭材料包括石墨粉、中間相炭微球，碳納米管，炭纖維。

6.根據權利要求5所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，其特征在于，所述炭的前軀體溶液包括聚乙烯醇、聚乙二醇、抗壞血酸、甲基纖維素、葡萄糖、蔗糖、淀粉、檸檬酸的去離子水溶液，炭凝膠的甲醛溶液、瀝青的四氫呋喃、喹啉溶液，酚醛樹脂的丙酮溶液，聚丙烯腈的二甲基吡咯烷酮溶液。

7.根據權利要求2所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，其特征在于，所述步驟（3）還可采用化學氣相沉積方法將碳沉積到多孔硅或多孔硅/炭復合材料上，得到多孔硅/炭復合材料；化學氣相沉積具體步驟為：將多孔硅或多孔硅/炭核復合材料放入通有惰性氣體和碳源氣體的管式爐中，在500-1500℃熱解0.5-80小時，得到碳沉積在多孔硅上的多孔硅/炭復合材料；所述炭源氣體包括乙炔、乙稀、苯蒸汽、甲烷、乙烷或丁烷氣。

8.一種以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料的應用，其特征在于，所述的多孔硅/炭復合材料直接用于鋰離子二次電池的負極材料；與其他負極材料混合作為鋰離子二次電池負極材料，混合使用的時多孔硅/炭復合材料的用量不不低于總負極活性材料的1%。

9.根據權利要求8所述的以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料的應用，其特征在于，所述其他負極材料包括石墨基炭,硬炭，儲鋰金屬，金屬間化合物，過渡金屬氧化物，磷化物。