[發(fā)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?zhí)枺?/td> | 201110122231.6 | 申請日： | 2011-05-12 |
| 公開（公告）號： | CN102208636A | 公開（公告）日： | 2011-10-05 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 范麗珍;王明珊;陶華超 | 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 11296 | 代理人： | 劉淑芬 |
| 地址： | 100083*** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 硅藻土 原料 制備 多孔 復合材料 應用 | ||
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種以硅藻土為原料制備多孔硅/炭復合材料及應用，具體的說涉及用硅藻土制備多孔硅的硅/炭鋰離子電池負極材料。
背景技術(shù)
隨著電子和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，移動通訊、數(shù)字處理機、便攜式計算機得到了廣泛應用，空間技術(shù)的發(fā)展和國防裝備的需求以及電動汽車的研制和開發(fā)促進了化學能源特別是鋰離子二次電池的迅速增長。目前使用的二次電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。鋰離子電池是目前使用最廣泛的二次電池。與傳統(tǒng)鎳氫可充電池和鎳鎘可充電池相比，它具有更高的能量密度，更高的工作電壓，較低的自放電等優(yōu)勢。
目前，鋰離子電池研發(fā)的重點是開發(fā)高容量和高功率的動力型鋰離子電池和電池組。電池的容量取決于電池的正極，負極和其他組分如隔膜，電解液等材料的容量，常用的正極材料如鈷、鎳、錳的氧化物LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，它們的容量范圍在160-200?mAh/g。因此要提高電池的總?cè)萘浚枰岣卟牧系呢摌O容量。傳統(tǒng)的商用鋰離子電池的負極原料為石墨，其理論容量僅為372?mAh/g。要想獲得更高比容量和比功率的鋰離子電池需要尋找替代石墨的負極材料。在非炭的負極活性材料中，硅的理論儲鋰容量高可達4200?mAh/g，其嵌鋰電位在0.5?V以下，又因其在地球上的儲量豐富，成本低廉得優(yōu)點成為了目前最有前景的鋰離子電池負極材料。但是硅在充放電過程中，由于脫嵌鋰的合金化反應造成了較大的體積膨脹，以及在充放電過程中，SEI膜被與電解液接觸反應形成的氫氟酸不斷侵蝕，導致了硅的首次不可逆容量較大和容量衰減很快。
將硅基材料與炭材料復合可以在一定程度上改善其循環(huán)性能和降低其不可逆容量。炭的加入一方面提供了更多的電導率，改善了材料的循環(huán)性，另一方面充當了惰性基體，在一定程度上降低了硅在充放電過程中的體積膨脹。專利CN1891668A曾報道一種球形外觀、核殼結(jié)構(gòu)的硅碳復合材料的制備，這種方法只以超細硅粉為原料，且硅的含量較低，導致硅碳復合材料的比容量較低，本發(fā)明報道的是一種多孔硅/碳復合材料的制備，由于硅具有多孔結(jié)構(gòu)，與碳材料復合后能顯著增強材料的循環(huán)穩(wěn)定性和比容量。
常用的硅基材料原料包括商用硅粉，或硅氧化物，硅氯化物，有機硅等化合物通過化學反應制備的硅。專利CN101533907A報道了采用金屬鎂粉還原硅的氧化物。這些原料大多來自于化工合成，采用天然礦物作為硅基原料的研究較少。
硅藻土是一種古代生物沉積的硅質(zhì)沉積巖，其主要化學成分為SiO2，以及少量的Fe2O3、Al2O3、CaO，MgO和有機質(zhì)。通常呈淺黃色或淺灰色，由于其具有天然的多孔結(jié)構(gòu)工業(yè)上常用來作為保溫材料、過濾材料、填料、研磨材料、水玻璃原料、脫色劑及硅藻土助濾劑，催化劑載體等。本發(fā)明提出以天然硅藻土為原料，除了鎂，還采用其它金屬如鋁、鉀、鈉等還原硅藻土，制備多孔硅材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是采用天然礦物為原料，提供一種從硅藻土制備硅/炭負極的制備方法，該方法具有成本低廉，操作工藝簡單等優(yōu)點。
本發(fā)明的技術(shù)技術(shù)方案是：一種以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料，其組分以質(zhì)量分數(shù)計：炭的含量占2-98?%，硅的含量占98-2?%；所述多孔硅孔徑在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。
本發(fā)明的另一目的是提供上述以硅藻土為原料制備的多孔硅/炭復合材料方法，具體制備過程如下：
(1)首先將硅藻土原礦磨碎，與水按質(zhì)量比1:5-20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(jīng)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(zhì)，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(jīng)洗滌干燥得到純度較高的硅藻土；
(2)?將經(jīng)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、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，在惰性氣體保護下，升溫至60-1000?℃之間，還原1-48小時，之后冷卻至室溫，所得產(chǎn)物最后在濃度為1-50?%的鹽酸溶液或者硫酸溶液中浸泡去除雜質(zhì)，再經(jīng)洗滌干燥，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的硅；
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