[發(fā)明專利]一種生物炭/硅納米材料及其制備方法與作為鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110585832.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN113270580B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任卓雅;陳健強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京林業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 徐芝強(qiáng);肖明芳

本發(fā)明公開了一種生物炭/硅納米材料及其制備方法與作為鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用，將生物質(zhì)炭磨成粉末，與離子液體混合攪拌均勻，得到粘稠溶液；隨后加入有機(jī)溶劑稀釋，繼續(xù)攪拌至均一狀態(tài)的混合液；然后加入納米硅顆粒，攪拌使得納米硅顆粒分散均勻，干燥得到固體混合物；將固體混合物加熱至400～800℃并恒溫處理2～4h，冷卻至室溫后研磨成粉末，過篩即得。本發(fā)明采用離子液體溶解生物質(zhì)炭，然后與納米硅通過一步法形成兩層的包覆結(jié)構(gòu)，并且中間層的二氧化硅是來源于生物質(zhì)炭，無需外來添加物和繁瑣的步驟制備，不產(chǎn)生資源浪費(fèi)，并且無二次污染，無毒無害。通過本發(fā)明負(fù)極材料制備的鋰離子電池比容量得到穩(wěn)定提升，且阻抗小，電化學(xué)性能優(yōu)異。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生物炭/硅納米材料及其制備方法與作為鋰離子電池負(fù)極的應(yīng)用，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前，鋰離子電池在如今的便攜式電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，商業(yè)負(fù)極中最流行的一種低成本材料是石墨，然而，相對(duì)較低的比容量限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。因此，開發(fā)高容量的負(fù)極材料是鋰離子電池研究中急需解決的問題。而硅負(fù)極材料由于具有高的理論比容量(比容量是商業(yè)石墨的10倍以上)，低毒、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等多種優(yōu)勢，在近年來，受到了人們的廣泛關(guān)注，有望成為下一代鋰離子電池極具潛力的負(fù)極材料。然而，單純的硅作為負(fù)極材料現(xiàn)在還存在著一些問題，例如體積膨脹和導(dǎo)電性差等。將碳引入能夠有效提高硅基負(fù)極的電化學(xué)性能，因?yàn)樘寄芴岣唠姌O的導(dǎo)電性，并且在一定程度上還能防止納米硅的重新聚集，防止電極破裂。而如何在這些手段的基礎(chǔ)上，制備出好的結(jié)構(gòu)、更加的節(jié)約資源、降低成本，更是現(xiàn)今研究的熱點(diǎn)。

稻殼是一種農(nóng)作物的副產(chǎn)品，全世界每年稻殼的產(chǎn)量超過了100萬噸，大部分都是就地燃燒，浪費(fèi)資源的同時(shí)也污染了環(huán)境，所以充分開發(fā)再利用稻殼有著重要的意義。稻殼中富含天然形成的纖維素，木質(zhì)素和二氧化硅的組分，其中來自于不同來源的天然稻殼中二氧化硅的平均值為10.6％。在此基礎(chǔ)上，充分利用好稻殼中的碳和二氧化硅，對(duì)其進(jìn)行修飾，能做到資源重整和，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展利用。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種生物炭/硅納米材料，作為鋰離子電池負(fù)極，提升鋰離子電池的性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種生物炭/硅納米材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將生物質(zhì)炭磨成粉末，與離子液體混合攪拌均勻，得到粘稠溶液；

(2)向步驟(1)攪拌均勻的粘稠溶液中，加入有機(jī)溶劑稀釋，繼續(xù)攪拌至均一狀態(tài)的混合液；

(3)向步驟(2)混合液中加入納米硅顆粒，繼續(xù)攪拌使得納米硅顆粒分散均勻，然后干燥得到固體混合物；

(4)將步驟(3)得到的固體混合物加熱至400～800℃并恒溫處理2～4h，冷卻至室溫后，研磨成粉末，過篩即得。

具體地，步驟(1)中，所述的生物質(zhì)炭選自稻殼、秸稈、燕麥、小麥、木粉中任意一種或兩種以上的組合；所述的離子液體中，陽離子為烷基銨、烷基咪唑、烷基吡啶或雙烷基咪唑季銨鹽，陰離子為磷酸二氫鹽、氯鹽、硼酸鹽、硫酸氫鹽或醋酸鹽。

通過離子液體溶解生物質(zhì)材料，再經(jīng)過熱解處理，能夠獲得雜原子摻雜，如氮、磷、硼等元素的高度石墨化結(jié)構(gòu)的生物碳。為了能重新利用好生物質(zhì)材料，結(jié)合離子液體來溶解生物質(zhì)材料，然后與納米硅顆粒形成均勻的包覆結(jié)構(gòu)，制備出的負(fù)極材料擁有良好的電化學(xué)性能。

具體地，步驟(1)中，所述的生物質(zhì)炭與離子液體的質(zhì)量比為1:2～5，優(yōu)選1:3，以攪拌速率為400轉(zhuǎn)/分鐘攪拌12h得到粘稠溶液。

具體地，步驟(2)中，所述的有機(jī)溶劑為二甲亞砜，有機(jī)溶劑與離子液體的質(zhì)量比為(2～4):1，優(yōu)選3:1。