[發(fā)明專(zhuān)利]一種碳納米管-碳-多孔硅復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610039659.7
• 申請(qǐng)日: 2016-01-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105529447B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉樹(shù)和;趙淑春;劉彬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/36
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及一種碳納米管?碳?多孔硅復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用，屬于生物廢棄資源綜合技術(shù)領(lǐng)域。首先將含硅生物質(zhì)酸煮處理去除無(wú)機(jī)鹽離子雜質(zhì)，過(guò)濾、清洗后干燥、研磨得到粉料；將粉料加入到含鎳、鐵中的一種或者兩種有機(jī)配合物溶液中常溫浸漬；將浸漬得到的粉料在惰性氣體或真空下燒結(jié)，得到碳納米管?碳?多孔二氧化硅復(fù)合粉體；加入鎂粉混合或者分置放置，升溫反應(yīng)得到鎂熱還原產(chǎn)物；將得到的鎂熱還原產(chǎn)物采用酸煮、采用氫氟酸溶液浸出，洗滌、過(guò)濾干燥得到碳納米管?碳?多孔硅復(fù)合材料。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了材料組成的原位遺傳和材料結(jié)構(gòu)的原位遺傳和改進(jìn)，并且硅/碳復(fù)合材料在形貌、組成和分布上均勻。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米管-碳-多孔硅復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用，屬于生物廢棄資源綜合技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有成本低、效率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，以及高比能量與高比功率等獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具前景的電池體系，已在移動(dòng)通信、電動(dòng)工具、數(shù)碼攝像和便攜式計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天、儲(chǔ)能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并得到迅速發(fā)展，革命性地改變了人們生產(chǎn)生活的方式。

儲(chǔ)能領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能電池提出了更高的要求，高容量密度和功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰離子電池的開(kāi)發(fā)日益迫切。目前商業(yè)鋰離子電池的負(fù)極材料主要為石墨類(lèi)碳材料，其理論儲(chǔ)鋰容量為372 mAh/g，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)高能量密度鋰離子電池材料的需求。硅的理論儲(chǔ)鋰容量高達(dá)4200 mAh/g，是石墨理論容量的11倍，遠(yuǎn)高于石墨的理論容量；另外，硅的電壓平臺(tái)略高于石墨，在充電時(shí)不易引起表面析鋰現(xiàn)象，安全性能優(yōu)于石墨類(lèi)碳負(fù)極材料；再者，硅的儲(chǔ)量豐富（地球上含量第二豐富的元素）。因此，近年來(lái)硅成為引發(fā)鋰離子電池重大變革的一類(lèi)新材料，并成為鋰離子電池負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)。

盡管如此，由于硅在充放電過(guò)程中的脫嵌鋰合金化反應(yīng)造成了較大的體積膨脹，導(dǎo)致了硅具有較大的首次不可逆容量和較快的容量衰減。將硅制備成納米多孔結(jié)構(gòu)、并與納米（彈性）導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)復(fù)合，可以有效抑制硅在脫嵌鋰過(guò)程中的體積變化、維持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)改善材料的導(dǎo)電性能，因此在有效改善硅的循環(huán)性能。

儲(chǔ)能行業(yè)是一個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的領(lǐng)域。對(duì)于鋰離子電池材料，降低材料的生產(chǎn)成本極為重要。含硅生物質(zhì)（如稻殼、竹葉、甘蔗渣、蘆葦葉、秸稈等）儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得，并且可持續(xù)利用。以含硅生物質(zhì)資源作為原料，根據(jù)生物原料自身的遺態(tài)特性和組成結(jié)構(gòu)，采用“生物制造”的理念，精心設(shè)計(jì)和合成特定的組成、結(jié)構(gòu)和形貌的鋰離子電池硅/碳復(fù)合負(fù)極材料，可以增加含硅生物質(zhì)的附加值、具有重要環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及不足，本發(fā)明提供一種碳納米管-碳-多孔硅復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用。該碳納米管-碳-多孔硅復(fù)合材料制備過(guò)程中的中間產(chǎn)物碳納米管-碳-多孔二氧化硅復(fù)合粉體由于碳化物質(zhì)中的顆粒炭變成一維納米碳造成炭形貌發(fā)生改變，導(dǎo)致粉體孔隙增加，更有利于鎂與其中二氧化硅的傳質(zhì)接觸和鎂熱還原反應(yīng)的充分進(jìn)行，并且碳的隔離作用可以避免納米硅的團(tuán)聚長(zhǎng)大；在組成上，制備的復(fù)合材料很好地利用了含硅生物質(zhì)中有效的碳和硅組分。在制備的硅/碳復(fù)合負(fù)極材料中，原位形成的碳納米管、碳具有較好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和彈性網(wǎng)絡(luò)性能，納米多孔硅結(jié)構(gòu)及其與上述導(dǎo)電和力學(xué)碳網(wǎng)的復(fù)合，在充放電循環(huán)過(guò)程中可以有效改善材料導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此具有較高的容量和較穩(wěn)定的循環(huán)性能。

一種碳納米管-碳-多孔硅復(fù)合材料制備方法，其具體步驟如下：

（1）粉料制備：首先將含硅生物質(zhì)酸煮處理去除無(wú)機(jī)鹽離子雜質(zhì)，過(guò)濾、清洗后干燥，然后研磨至粒度為40～200目的粉料；

（2）粉料浸漬：將步驟（1）得到的粉料加入到含鎳、鐵中的一種或者兩種有機(jī)配合物溶液中常溫浸漬15～30h，浸漬完成后干燥，其中粉料與鎳、鐵中的一種或者兩種的質(zhì)量比為1：0.001～1；