[发明专利]一种高性能Si/C负极材料的制备方法

说明书

本发明提供一种高性能Si/C负极材料的制备方法，涉及复合材料制备技术领域，该方法主要包括：将洁净的稻壳在CO₂气氛中热处理，将热处理的产物与适量的NaCl、AlCl₃、Al或Mg粉混合，再置于绝热球磨罐中，在160～200℃球磨15～20h；将球磨产物用HCl酸和HF酸浸泡，离心洗涤分离，真空干燥，制得Si/C负极材料。本发明充分利用了稻壳的Si、C资源，制得的Si/C负极材料的比容量高，倍率性能好，循环性能优异；同时，本发明的制备工艺简单，效率高，无需复杂设备，成本低廉，环境友好，可直接用于工业化生产。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高性能Si/C负极材料的制备方法。

背景技术

作为锂离子电池负极材料，Si材料的比容量(理论容量3500mAh/g)远大于商用石墨负极材料的比容量(理论容量372mAh/g)，而且Si在地壳中储量丰富，价格便宜，因此，普遍认为Si材料是最有应用前景的锂离子电池负极材料。然而，Si负极材料在放电过程中体积膨胀严重，在完全嵌锂的状态，Si的体积膨胀高达300％。严重的体积膨胀导致Si颗粒破碎，导致Si颗粒与导电剂或集流体分离，同时使固态电解质(SEI)膜不断生长，从而造成可逆容量迅速衰减；此外，纯Si材料的电子电导率很低，难以满足大电流充放电所必需的电子传导能力，造成大电流充放电容量衰减严重。

研究表明，将纳米Si颗粒分散在可溶性有机化合物中，经烘干、惰性气氛热处理，可获得各种微观结构的Si/C复合材料；与纯Si材料相比，Si/C负极材料的电化学性能得到显著的提高。然而，高分散性的纳米Si制备难度较大，且与C材料复合后微观形貌难以控制，如何实现C材料对高分散的纳米Si颗粒均匀包覆，仍然是Si/C负极材料制备的主要技术难题；此外，这种Si/C负极材料的制备过程复杂，效率低，成本较高。这些因素限制了Si/C负极材料的商业应用。近年来，探索采用新的Si源，以低成本、绿色环保的途径制备高性能的Si/C负极材料成为该领域的研究热点。

稻谷是中国主要粮食作物之一，年产量近2亿吨，由此年产稻壳约4000万吨。研究表明，稻壳的主要组分为粗纤维、木质素、多缩戊糖和灰分等，其中灰分占13～22wt％，而灰分中SiO₂占97.3wt％；其中的Si组分均匀嵌镶纤维素和木质素等有机基质中。因此，稻壳是一种可再生的优质Si、C资源，是制备Si/C复合材料的理想前驱体。到目前为止，用稻壳资源制备锂离子电池负极材料的方法仅局限于提取稻壳中的Si组分，再将其与有机化合物复合，经惰性气氛热处理制得Si/C负极材料。中国科学院郭玉国研究员的课题组，将稻壳在空气气氛中充分燃烧，得到纯SiO₂，采用高温(680℃)镁热还原法对得到的SiO₂进行还原，用HCl酸除去镁热还原产物中的MgO和MgSi₂，将得到的纯Si粉与聚苯胺等有机化合物分散在二甲基甲酰胺溶剂中，制成稳定浆料，经静电喷雾及后续高温热处理，制得Si/C负极材料。显然，目前以稻壳为原料制备Si/C负极材料的方法，不仅浪费了稻壳中的优质C资源、排放出大量的温室气体，而且制备方法复杂，效率低，成本较高。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性能Si/C负极材料的制备方法，该方法工艺简单、效率高、成本低、环境友好，适合大量制备。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高性能Si/C负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将稻壳除杂、清洗、烘干，将得到的洁净稻壳置于平卧管式炉中，在N2气氛中以5～10℃/min升温至850～950℃，再将N2切换成CO₂，在CO₂气氛中对稻壳进行恒温热处理，随后在N2气氛中自然降温至100℃以下，得到稻壳热处理产物；