纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105932240A(43)申请公布日2016.09.07(21)申请号201610310457.1B82Y30/00(2011.01)(22)申请日2016.05.11(71)申请人武汉科技大学地址430081湖北省武汉市青山区和平大道947号(72)发明人高标苏建君霍开富付继江张旭明(74)专利代理机构北京方圆嘉禾知识产权代理有限公司11385代理人董芙蓉(51)Int.Cl.H01M4/36(2006.01)H01M4/38(2006.01)H01M4/587(2010.01)H01M10/0525(2010.01)权利要求书1页说明书4页附图2页(54)发明名称纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用(57)摘要本发明属于生物废弃资源综合技术领域，具体为纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用，将含硅生物质酸煮处理清除无机盐离子杂质，清洗并干燥后研磨成粉末，在惰性气氛中碳化得到二氧化硅和碳的复合产物，然后将碳化产物和金属粉末、无水氯化物金属盐均匀混合后放入管式炉中在惰性气氛下反应得到硅纳米颗粒均匀分布在碳中的纳米硅-碳复合材料。该发明简单易行，原料来源广泛，最重要的是由于加入无水氯化物，使得反应在极低的温度下能够发生，这种超细纳米硅的制备工艺具有能耗低、工艺简单、污染小、产物纯度较高、颗粒均匀等特点，且得到的硅纳米颗粒粒径均一分布均匀，可以应用于锂离子电池负极材料领域。CN105932240ACN105932240A权利要求书1/1页1.纳米硅-碳复合物，其特征在于，以含硅生物质为原料超低温制备所得。2.根据权利要求1所述的纳米硅-碳复合物，其特征在于，制备方法包括以下步骤：(1)将含硅生物质酸煮处理，去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；(2)将(1)中酸煮后的含硅生物质研磨成粉末，在惰性气氛中400-700℃碳化处理1-12h，得到二氧化硅和碳的复合物，即碳化后的含硅生物质；(3)按照二氧化硅：金属粉末：无水氯化物金属盐质量比为1：1-3：2-20的量，向碳化后的含硅生物质中加入金属粉末和无水氯化物金属盐，混合均匀后放入管式炉中以1-30℃/min的升温速度加热到150-300℃，保温1-12h，待产物随炉冷却至室温后取出；(4)将(3)中所得产物用盐酸酸洗后，清洗、过滤、干燥后得到纳米硅-碳复合产物。3.根据权利要求2所述的纳米硅-碳复合物，其特征在于，所述步骤(1)中含硅生物质包括稻壳、竹叶或秸秆中的一种或两种以上的混合。4.根据权利要求2所述的纳米硅-碳复合物，其特征在于，所述步骤(3)中所用无水氯化物金属盐为无水氯化锌、无水氯化铁或无水氯化铝中的一种或两种以上的混合。5.根据权利要求1到4任一项所述的纳米硅-碳复合物的应用，其特征在于，用于制作锂离子电池负极材料。2CN105932240A说明书1/4页纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用技术领域[0001]本发明属于生物废弃资源综合技术领域，尤其涉及一种纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用。背景技术[0002]锂离子电池作为一种绿色的储能器件，具有工作电压高、能量密度大、自放电率小等优点，广泛应用于各类便携式电子设备。硅(Si)的理论储锂容量高达4200mAh/g，超过商业化主流材料-石墨理论容量的10倍，且Si的电压平台略高于石墨，在充电时不易引起表面析锂的现象，安全性能优于石墨类C负极材料，因而硅有望替代商业化石墨成为下一代锂离子电池的负极材料。然而，硅负极材料存在一些非常明显的不足：首先，锂离子(Li+)进入Si负极可形成合金相体积膨胀高达420％，使材料产生的内部应力高达1-2GPa，致使Si活性材料粉化，电极材料与集流体产生分离，导致电极循环性能急速衰减；其次，Si的本征电导率低，为6.7x10-4S/cm，限制了其大电流充放电条件下的倍率性能。另外，Si脱嵌锂过程的反复膨胀和收缩，使其在LiPF6电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。相比于块体Si材料，纳米Si由于绝对膨胀体积的减小，可减小脱嵌锂过程中产生的应力对材料结构的破坏，改善Si材料的电化学循环性能，同时，纳米Si也可缩短锂离子脱嵌深度和扩散路径，带来动力学上的优势。[0003]目前文献和专利中的关于硅碳复合电极材料的制备均采用多步法来实现，首先合成硅或者碳，然后再通过物理和化学的方法负载另外一种成分，常采用的方法有热解法、球磨法、气相沉积法和聚合-热解法等，这些方法得到的硅碳复合材料均一性较差，成本也比较高，污染比较严重，不能实现大规模生产。[0004]另外，有许多文献报道利用镁热、铝热等反应可以在较低温度(650℃以上)将氧化硅还原生成硅，但是这些方法存在硅反应不充分和生成的硅容易团聚等问题，需要后续的除杂步骤