[发明专利]一种快速高效制备空心碳微球的方法

说明书

一种快速高效制备空心碳微球的方法，它属于锂电池负极材料领域，它要解决现有空心碳微球的制备存在工艺复杂、成本高和产率低的问题。方法：一、SiO₂微球分散至乙醇溶液中，加碳前驱体，调节pH，经搅拌、离心、洗涤和干燥后得前驱体粉末；二、前驱体粉末煅烧后分散到刻蚀剂中，经离心和洗涤，得纳米级微孔碳球。本发明在去除模板、碳化过程中减少对表面晶型结构的破坏，在大规模制备过程中有效提高碳微球结构的保持率，并且产品纯度高，工艺简单、反应原料价廉易得、能耗低、反应过程环保无毒，可进行大规模应用。空心碳微球可作为外壳抑制硅颗粒膨胀，于锂离子电池负极中能有效提高电池的循环容量。本发明适用于空心碳微球的快速高效制备。

技术领域

本发明属于锂电池负极材料领域，具体涉及一种快速高效制备空心碳微球的方法。

背景技术

随着新能源电动汽车市场的扩大，对具有更高能量密度的锂离子电池的需求也在增加。为了克服锂离子电池的理论能量密度限制，硅的理论容量约为石墨的10倍。然而，在与锂的合金化和脱合金反应过程中，巨大体积变化会导致硅电极的粉化和开裂，阻碍硅作为锂离子电池负极材料的实际使用。

空心结构碳球是改善硅电极尺寸稳定性的有效材料，可以抵抗硅的严重体积变化和硅基电极随后的机械变形，由于其独特的物理化学性质，包括高导电性和坚固的结构，含硅的空心结构碳球材料表现出优异的长期容量保持率。因此，空心结构碳球可以起到稳定硅电极尺寸变化和形成坚固的导电网络的双重作用，以实现长期稳定的电池性能。

现有技术制备的空心碳微球，通常采用溶剂热法、乳化法、模板法。溶剂热法制备的空心微球，石墨化程度低，通常还需要通过在惰性气氛下的高温热处理来提高其石墨化程度；乳化法对热稳定介质的要求较高，而且所得产物需进一步氧化处理，使得乳化法工艺流程复杂、设备繁多；模板法制备得到碳微球形貌可控、粒径均一，但模板去除工艺相对繁冗复杂，且大规模制备过程中造成碳微球结构破坏，导致产品产量低，壳型不完整，材料性能降低。

发明内容

本发明目的是为了解决现有空心碳微球的制备存在工艺复杂、成本高和产率低的问题，而提供一种快速高效制备空心碳微球的方法。

一种快速高效制备空心碳微球的方法，它按以下步骤实现：

一、将10～15g的纳米级SiO₂微球分散至2.5～3.0L的乙醇溶液中，得SiO₂分散液，然后加入碳前驱体，再加入pH调节剂调节pH至7.1～7.8，于25～35℃下搅拌20～30h，经离心、洗涤和干燥，得到前驱体粉末；

二、将上述前驱体粉末在惰性气氛进行碳化处理后，得到C@SiO₂复合材料，然后分散到刻蚀剂中处理1h，经离心和洗涤，获得纳米级微孔碳球，即完成快速高效制备空心碳微球的方法；

其中步骤一中碳前驱体的加入量占SiO₂分散液的10～15％；

步骤一中所述乙醇溶液的浓度为21～32wt％；

步骤一中所述碳前驱体为酚醛树脂、蔗糖、聚苯胺-聚吡咯、石墨烯或聚乙烯基吡咯烷酮；

步骤一中所述pH调节剂为氨水、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或醋酸钠。

步骤一中所述搅拌的速度为20～60r/min；

步骤一中所述离心、洗涤和干燥：以7000～8000r/min的速度离心15～20min，然后用去离子水洗涤3次，再于60℃下干燥12h；

步骤二中所述惰性气氛为氮气、氩气或二氧化碳，各自纯度均为99.99％；

步骤二中所述碳化处理：以1～5℃/min的速率升温至600～800℃，煅烧1～8h；