[發明專利]稻谷殼制備鋰離子電池硅-碳負極材料的熔鹽電化學方法

在審

• 申請號: 201811154258.1
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109216685A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 尹華意;趙竹青;謝宏偉;寧志強;宋秋實;邢鵬飛
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 馬海芳

一種稻谷殼制備鋰離子電池硅?碳負極材料的熔鹽電化學方法，屬于鋰離子電池的領域。該制備方法將稻谷殼清洗烘干后作為原料，對其進行碳化，將碳化谷殼灰球磨成粉末，壓片，燒結，以壓片作為陰極，石墨棒作為陽極，在氯化鈣熔鹽中，高溫下施加電壓，恒電位電解，使稻谷殼中的二氧化硅還原為硅，還原得到的硅被谷殼中的碳包覆形成碳包覆硅的核殼結構，將壓片提離熔鹽冷卻、清洗除去鹽、鹽酸酸洗、干燥，實現鋰離子電池硅?碳負極材料的制備。該方法可以制成性能優良的鋰離子電池硅?碳負極材料，環境友好、成本較低、操作簡單。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池的領域，具體涉及一種稻谷殼制備鋰離子電池硅-碳負極材料的熔鹽電化學方法。

背景技術

鋰離子電池由于具有比能量大，安全性高，使用壽命長，環境污染小等優點，現已廣泛應用于各種便攜式電子設備以及新能源汽車等諸多領域。鋰離子電池的研究進展很大程度上取決于電極材料的性能。目前，商業化的鋰離子電池主要采用石墨作為負極材料。然而，其較低的理論容量(372mAh/g)很難滿足下一代鋰離子電池的嚴格要求。因此，尋找具有高容量，高功率密度和優異速率能力的新一代鋰離子電池負極材料顯得極為迫切。

在各種新一代負極材料中，硅材料由于具有極高的理論容量(4200mAh/g)以及豐富的資源，被認為是極具前途的下一代鋰離子電池負極材料。然而，由于在充放電的嵌脫鋰過程中，硅材料體積膨脹收縮大，會造成硅材料本身的斷裂與粉化，導致其循環性能差、庫倫效率低等問題。此外硅本身不具備良好的導電性。針對以上問題，尤其是如何緩沖循環過程中硅材料的體積膨脹、增強其導電性，成為業內研究的熱點。

發明內容

本發明的目的是提供一種稻谷殼制備鋰離子電池硅-碳負極材料的熔鹽電化學方法，該制備方法以廉價的稻谷殼為原料，對其進行碳化，將碳化得到的稻殼灰球磨成粉末后壓片，以壓片作為陰極，石墨棒作為陽極，在氯化鈣熔鹽中，高溫下施加電壓，恒電位電解一段時間，使稻谷殼中的二氧化硅還原為硅，還原得到的硅被谷殼中的碳包覆形成碳包覆硅的核殼結構，將壓片提離熔鹽冷卻、清洗除去鹽、鹽酸酸洗、干燥，實現鋰離子電池硅-碳負極材料的制備。采用本發明的方法可以制成性能優良的鋰離子電池硅-碳負極材料，環境友好、成本較低、操作簡單。

本發明的一種稻谷殼制備鋰離子電池硅-碳負極材料的熔鹽電化學方法，包括以下步驟：

步驟1：稻谷殼的碳化

(1)將稻谷殼清洗、烘干、冷卻后，得到干燥的稻谷殼；

(2)將干燥的稻谷殼裝入坩堝中，在將坩堝置于馬弗爐中，在300～400℃恒溫碳化10～15h，得到碳化谷殼灰；

步驟2：碳化谷殼灰壓片的制備

將碳化谷殼灰置于球磨機中，球磨，得到谷殼灰粉末；其中，谷殼灰粉末的粒徑為10nm～1000nm；

將谷殼灰粉末進行壓片，燒結，得到谷殼灰粉末壓片；

步驟3：電解前準備

(1)將谷殼灰粉末壓片用細鉬絲固定在金屬鉬桿集流體上，制得陰極；

將石墨棒與金屬鉬桿集流體連接，制得陽極；

(2)將氯化鈣鹽烘干去除水分，置于坩堝中，再將坩堝置于反應器中；

(3)將陰極和陽極懸掛在氯化鈣上方，并且不與氯化鈣接觸，封閉反應器，將反應器抽真空后，升溫至200～400℃，恒溫60～120min，關閉真空泵，向反應器持續通入氬氣，使得反應器內形成氬氣氣氛；

步驟4：電解

將反應器加熱至氯化鈣的熔化溫度，形成熔鹽，將陰極、陽極插入熔鹽中，形成兩電極體系，其中，設置兩電極間水平間隔為30±0.1mm，在陰極和陽極間施加電壓2.4～2.7V，恒槽壓電解10～15h，電解后的陰極從熔鹽中取出冷卻；