纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用
【专利摘要】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。
【专利说明】
纳米娃-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l-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°C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，因此不仅提高了生产成本，还使得制备得到的产物性能不理想。
【发明内容】
[0005]针对上述技术问题，本发明提供一种以含硅生物质为原料，超低温制备纳米硅-碳复合物，该纳米硅-碳复合物混合均匀。
[0006]本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:
[0007]纳米硅-碳复合物，以含硅生物质为原料超低温制备所得。
[0008]具体的制备方法包括以下步骤:
[0009](I)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；
[0010](2)将(I)中酸煮后的含硅生物质研磨成粉末，在惰性气氛中400-700°C碳化处理l-12h，得到二氧化硅和碳的复合物，即碳化后的含硅生物质；
[0011 ] (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°C/min的升温速度加热到150-300°C，保温l_12h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0012](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。
[0013]其中，步骤(I)中含硅生物质包括稻壳、竹叶或秸杆中的一种或两种以上的混合。
[0014]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。
[0015]该纳米硅-碳复合物的应用为，用于制作锂离子电池负极材料。
[0016]本发明提供的纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用，将碳化后的含硅生物质与适量的金属粉末、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充分反应(4A1+3Si02+2AlCl3==3Si+6A10Cl)，随后通过酸洗除去副产物即得到超细纳米硅。由于加入的无水氯化物熔点低，熔点约100°C _400°C，反应时熔融的无机盐可以保证反应充分进行也可控制反应温度，另外，金属粉末在熔盐中会离子化(Al =Al3++3e—)，使得金属粉末具有很高的反应活性，使得这种超细纳米硅具有高产率、纯度较高、比表面积大、颗粒均匀的特点，这也是本方法能够在超低温下(200°C)发生的重要原因。
[0017]本发明提供的纳米硅-碳复合物及其制备方法和应用，制备方法简单易行，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。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例1制备得到的硅碳复合物的XRD图谱。
[0019]图2为本发明实施例1制备得到的硅碳复合物的H)S图谱。
[0020]图3为本发明实施例1制备得到的硅碳复合物的SEM电镜图。
[0021 ]图4为本发明实施例1制备得到的硅碳复合物的TEM图谱。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。
[0023]实施例1
[0024](I)将5g稻壳酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0025](2)将(I)中酸煮后的稻壳研磨成粉末在惰性气氛中600°C碳化处理6h得到黑色产物；
[0026](3)将(2)中的黑色产物2.1g与1.2g铝和1g氯化铝(AlCl3)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以5°C/min的升温速度加热到200°C保温3h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0027](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。
[0028]由图1的XRD衍射图谱可知，在28.4°、47.3°和56.1°的三强峰与硅(JCPDSN0.27-1402)的三强峰相对应，并基本无杂相；由图2的扫描电镜图可知，本实施例制备得到的硅纳米粒子直径为30-60nm且分散较为均匀；由图3和图4的透射电镜图可知本实施例制备得到的硅纳米粒子尺度大部分在50nm以下；因此本发明可在工业上大规模生产和应用。
[0029]实施例2
[0030](I)将5g竹叶酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0031](2)将(I)中酸煮后的竹叶研磨成粉末在惰性气氛中400°C碳化处理12h得到黑色产物；
[0032](3)将(2)中的黑色产物2.8g与2g镁和20g氯化锌(ZnCl2)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以3°C/min的升温速度加热到150°C保温12h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0033](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。
[0034]实施例3
[0035](I)将5g秸杆酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0036](2)将(I)中酸煮后的秸杆研磨成粉末在惰性气氛中500°C碳化处理9h得到黑色产物；
[0037](3)将(2)中的黑色产物1.5g与1.9g铁和15g氯化铝(AlCl3)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以10°c/min的升温速度加热到250°C保温6h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0038](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。
[0039]实施例4
[0040](I)将5g稻壳酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0041](2)将(I)中酸煮后的稻壳研磨成粉末在惰性气氛中700°C碳化处理Ih得到黑色产物；
[0042](3)将(2)中的黑色产物2.1g与3g铝和2g氯化铁(FeCl3)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以20°C/min的升温速度加热到300°C保温9h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0043](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。
[0044]实施例5
[0045](I)将5g稻壳酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0046](2)将(I)中酸煮后的稻壳研磨成粉末在惰性气氛中550°C碳化处理5h得到黑色产物；
[0047](3)将(2)中的黑色产物2.1g与1.2g铝和25g氯化铝(AlCl3)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以30°C/min的升温速度加热到200°C保温lh，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0048](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。
[0049]实施例6
[0050](I)将5g稻壳酸煮处理去除无机盐离子杂质，反复清洗后干燥；
[0051](2)将(I)中酸煮后的稻壳研磨成粉末在惰性气氛中650°C碳化处理3h得到黑色产物；
[0052](3)将(2)中的黑色产物2.1g与2.5g镁和15g氯化铝(AlCl3)混合均匀，然后将混合物放入管式炉中以5°C/min的升温速度加热到200°C保温3h，待产物随炉冷却至室温后取出；
[0053](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。
[0054]本【具体实施方式】与现有技术相比，具有以下积极效果:
[0055]1.本发明利用无水氯化金属盐吸热后熔化成液相，不仅使反应物充分接触，提高了反应产率，还使得金属粉末在液相熔盐中离子化，提高了反应活性，大幅降低了反应温度。
[0056]2.本发明所使用的反应是在超低温下发生的，故有效地防止了纳米硅的团聚，使得制备得到的纳米硅具有较小的粒径。
[0057]需要说明的是，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
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(I)中酸煮后的含硅生物质研磨成粉末，在惰性气氛中400-700°C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 °C /min的升温速度加热到150-300°C，保温l_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(I)中含硅生物质包括稻壳、竹叶或秸杆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。
【文档编号】H01M4/36GK105932240SQ201610310457
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】高标, 苏建君, 霍开富, 付继江, 张旭明
【申请人】武汉科技大学