一种硅碳复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种硅碳复合材料及其制备方法 (Silicon-carbon composite material and preparation method thereof ) 是由 吴武 仰永军 仰韻霖 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及锂电池负极材料领域,特别是涉及一种硅碳复合材料的制备方法,包括如下步骤：将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液,向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4～5,依次进行洗涤、干燥,得改性纳米硅颗粒；分别配置的水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂,油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂,将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到油相溶液中后一并加入到水相溶液中,加入引发剂,依次进行离心、洗涤、干燥,得到复合材料；将步骤S2得到的复合材料进行碳化,得到硅碳复合材料。本发明提供一种聚合物包覆均匀、结构稳定、电化学性能优良的硅碳复合材料；还提供一种工艺简单、对环境友好的硅碳复合材料的制备方法。(The invention relates to the field of lithium battery cathode materials, in particular to a preparation method of a silicon-carbon composite material, which comprises the following steps: dispersing the nano silicon particles into an organic solvent to obtain a dispersion liquid, adding a coupling agent into the dispersion liquid, adjusting the pH value to 4-5, and washing and drying the dispersion liquid in sequence to obtain modified nano silicon particles; the aqueous phase solution prepared respectively comprises the following components in a ratio of 2: 1, the oil phase solution comprises an emulsifier and a pH stabilizer in a ratio of 3: 1, dispersing the modified nano silicon particles obtained in the step S1 into an oil phase solution, adding the dispersed modified nano silicon particles into a water phase solution, adding an initiator, and sequentially centrifuging, washing and drying to obtain a composite material; and carbonizing the composite material obtained in the step S2 to obtain the silicon-carbon composite material. The invention provides a silicon-carbon composite material with uniform polymer coating, stable structure and excellent electrochemical performance; also provides a preparation method of the silicon-carbon composite material, which has simple process and is environment-friendly.)
技术领域
本发明涉及锂电池负极材料领域，特别是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法。
背景技术
近几年，锂离子电池发展迅速，动力电池的应用逐步体现出日益高涨的热情。负极材料是提高锂离子电池倍率性能的关键因素，是目前电源系统轻量化的一个重要方向。
碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，利用碳材料的机械弹性能够缓冲硅巨大体积膨胀，同时高的电子导率也能提高复合材料的倍率性能，因此成为与硅复合的首选基质。在硅碳复合材料中，硅作为活性物质提供高容量，碳材料可以改善硅材料在充放电过程中的体积变化。在硅碳复合材料的结构方面，具有核壳结构的硅/碳复合材料受到了更加广泛的关注，因为核壳结构既能够提高碳与硅的接触范围，增加电子的导通道，又能将电解液与硅隔离开来。但是目前文献报道的硅颗粒表面碳包覆方法，容易出现碳源包覆不均匀，颗粒容易团聚。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种聚合物包覆均匀、结构稳定、电化学性能优良的硅碳复合材料。
本发明还提供一种工艺简单、对环境友好的硅碳复合材料的制备方法。
本发明采用如下技术方案：
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4～5，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，所述水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂，所述油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的2.3～8％。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
对上述技术方案的进一步改进为，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的1～2％。
对上述技术方案的进一步改进为，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以0.5～6℃/min从室温升温至300～500℃，保温2～5h，然后继续升温至500～850℃，保温1～5h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得。
对上述技术方案的进一步改进为，所述硅碳复合材料的颗粒粒径为75～130nm。
本发明的有益效果为：
本发明提出的制备方法中充分利用表面和碳源的化学官能团间的相互作用，不同碳源之间分解温度的差别，且工艺简单、对环境友好；其中采用乳液聚合和溶液聚合方法在纳米硅颗粒上包覆高分子聚合物，纳米硅颗粒在经过改性处理后与聚合物的相互作用更为紧密，聚合物包覆比较均匀，经过高温碳化处理后，复合材料的碳包覆层结构稳定，不易破裂；通过该硅碳复合电极材料可以提高锂离子电池的循环稳定性和功率性能。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4～5，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，所述水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂，所述油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
进一步地，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的2.3～8％。
进一步地，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
进一步地，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
进一步地，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
进一步地，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
进一步地，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的1～2％。
进一步地，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以0.5～6℃/min从室温升温至300～500℃，保温2～5h，然后继续升温至500～850℃，保温1～5h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得。
进一步地，所述硅碳复合材料的颗粒粒径为75～130nm。
实施例1
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，所述水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂，所述油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
进一步地，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的2.3％。
进一步地，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
进一步地，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
进一步地，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
进一步地，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
进一步地，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的1％。
进一步地，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以1℃/min从室温升温至300℃，保温2h，然后继续升温至550℃，保温2h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得；所述硅碳复合材料的颗粒粒径为80nm。
实施例2
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，所述水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂，所述油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
进一步地，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的2.3～8％。
进一步地，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
进一步地，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
进一步地，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
进一步地，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
进一步地，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的2％。
进一步地，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以6℃/min从室温升温至500℃，保温5h，然后继续升温至850℃，保温5h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得；所述硅碳复合材料的颗粒粒径为130nm。
实施例3
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为5，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，所述水相溶液包括比例为2：1的乳化剂和pH稳定剂，所述油相溶液包括比例为3：1的聚合物单体、交联剂，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
进一步地，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的2.3～8％。
进一步地，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
进一步地，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
进一步地，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
进一步地，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
进一步地，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的1.5％。
进一步地，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以4℃/min从室温升温至450℃，保温4h，然后继续升温至800℃，保温4h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得；所述硅碳复合材料的颗粒粒径为100nm。
对比例1
一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将纳米硅颗粒分散到有机溶剂中得到分散液，然后向分散液中加入偶联剂并调节pH值为4，并依次进行洗涤、干燥，得到改性纳米硅颗粒；
S2、分别配置水相溶液和油相溶液，将步骤S1得到的改性纳米硅颗粒分散到所述油相溶液中后一并加入到所述水相溶液中，再加入引发剂，并依次进行离心、洗涤、干燥，得到纳米硅颗粒上包覆聚合物的复合材料；
S3、将步骤S2得到的复合材料进行碳化，得到硅碳复合材料。
进一步地，在所述步骤S1中，所述有机溶剂的质量为纳米硅颗粒质量的3％。
进一步地，在所述步骤S1中，所述洗涤的步骤为：采用醇、水比例为1：2的醇水混合液和纯水依次进行洗涤。
进一步地，在所述步骤S2中，所述乳化剂为单硬脂酸甘油脂、蔗糖脂肪酸三酯和山梨醇酐单硬脂酸酯中的任意一种或几种的混合物。
进一步地，在所述步骤S2中，所述pH稳定剂为二甲基乙醇胺、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
进一步地，在所述步骤S2中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵中的一种。
进一步地，所述引发剂的用量为改性纳米硅颗粒的质量的1％。
进一步地，所述碳化包括如下步骤：在惰性气体气氛环境下，以1℃/min从室温升温至300℃，保温2h，然后继续升温至550℃，保温2h。
一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料使用上述的制备方法制得；所述硅碳复合材料的颗粒粒径为80nm。
本发明提出的制备方法中充分利用表面和碳源的化学官能团间的相互作用，不同碳源之间分解温度的差别，且工艺简单、对环境友好；其中采用乳液聚合和溶液聚合方法在纳米硅颗粒上包覆高分子聚合物，纳米硅颗粒在经过改性处理后与聚合物的相互作用更为紧密，聚合物包覆比较均匀，经过高温碳化处理后，复合材料的碳包覆层结构稳定，不易破裂；通过该硅碳复合电极材料可以提高锂离子电池的循环稳定性和功率性能。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。