CN107093711B - 单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单分散的硅氧化物‑碳复合微球的宏量制备方法。包括有以下步骤：1)将碱性溶液分散在一定比例的醇水混合溶液中，加入酚源和有机硅烷搅拌拌均匀，加入甲醛溶液，反应，离心、洗涤、干燥后得到聚倍半硅氧烷‑酚醛树脂复合微球；2)将所得的聚倍半硅氧烷‑酚醛树脂复合微球在惰性气氛下碳化，得到黑色的单分散的SiOx‑C复合微球。本发明与现有技术相比，具有如下优势：合成工艺简单，成本低廉；适用范围广；制得的SiOx‑C复合微球中SiOx和C可实现均相分布，提升了材料的电化学性能；可通过控制碳含量来调节材料的电化学性能。
Description
技术领域
本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种可应用于锂离子电池负极材料的单分散的硅氧化物-碳复合微球的宏量制备方法。
背景技术
氧化硅(SiOx,0<x≤2)是一种常见工业原料。与单质硅相比，SiOx在锂离子电池负极材料领域具有如下优势：(1)嵌锂过程中更小的体积变化有利于循环寿命的提高；(2)天然的无定形态有利于缓解脱嵌锂过程中由于应力不均导致的材料粉化；(3)制备工艺简单，成本低廉。然而，无定型SiOx材料的导电性低是导致其活性低、倍率性能不佳的主要原因。制备SiOx-C复合材料是提高SiOx导电性、活性和倍率性能的有效途径。SiOx-C复合材料有望替代石墨成为锂离子电池负极材料的理想选择。
目前，SiOx-C复合材料的制备主要是对SiOx进行简单的碳包覆，例如Yao等将商品化的 SiO2纳米颗粒(7nm)与蔗糖共混碳化得到了SiO2@C复合纳米颗粒。Wu等采用TEOS为硅源，溶胶凝胶反应后加入蔗糖溶液共混，最后高温焙烧碳化得到了SiOx-C复合材料。Wang等以商品化的SiO2纳米颗粒(7nm)作为硅源，环氧树脂作为碳源，将二者共混并在高温下焙烧制备了纳米化SiOx/C复合材料。然而，这些方法都难以实现硅氧化物和碳的均相分布，且容量和循环稳定性仍有待进一步提升。此外，蔗糖、环氧树脂等碳源在高温条件下易焦化，不利于规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、价格低廉、电化学性能优异的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，包括有以下步骤：
1)将碱性溶液分散在一定比例的醇水混合溶液中，加入酚源和有机硅烷搅拌拌均匀，加入甲醛溶液，反应，离心、洗涤、干燥后得到聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球；
2)将所得的聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在惰性气氛下碳化，得到黑色的单分散的 SiOx-C复合微球。
按上述方案，所述的有机硅烷是乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷，所述的酚源是间苯二酚或间氨基苯酚。
按上述方案，步骤1)所述的醇水体积比例在0～10之间。
按上述方案，所述的碱性溶液为氨水，其浓度控制在0.01～3mol/L。
按上述方案，所述的酚源和甲醛的摩尔比控制在0.1～10之间。
按上述方案，所述的有机硅烷的浓度控制在0.01～3mol/L。
按上述方案，步骤1)所述的反应温度为25～80℃，反应6～48小时。
按上述方案，步骤2)所述的碳化温度是500～1200℃。
本发明的反应机理：有机硅烷，酚源以及甲醛可在碱性溶液如氨水催化下发生共缩合反应，生成聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球。所得聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在高温氩气氛围下焙烧后，其中的有机基团和酚醛树脂可转化为无定形碳，最终得到SiOx-C复合微球。通过调节硅源和碳源的浓度，氨水浓度以及醇水比，可实现产物SiOx-C复合微球中的碳含量在20％～80％范围内可调，且应用于锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
1)合成工艺简单，成本低廉；
2)适用范围广，采用多种不同的有机硅烷和酚源均可制备得到SiOx-C复合微球；
3)制得的SiOx-C复合微球中SiOx和C可实现均相分布，提升了材料的电化学性能；
4)可通过控制碳含量来调节材料的电化学性能；
5)产物单分散的SiOx-C复合微球作为锂离子电池负极材料表现出高比电容，极佳的倍率性能和循环性能。
附图说明
图1：单分散SiOx-C复合微球的合成示意图；
图2：实施例1所得SiOx-C复合微球的XRD图谱；
图3：实施例1所得SiOx-C复合微球的XPS图谱；
图4：实施例1～3所得SiOx-C复合微球的SEM和TEM；
图5：实施例1所得SiOx-C复合微球的TEM和能谱分析图；
图6：实施例1～3所得SiOx-C复合微球的热重图谱；
图7：实施例1所得SiOx-C复合微球的充放电曲线；
图8：实施例1～3所得SiOx-C复合微球的循环性能；
图9：实施例1所得SiOx-C复合微球的循环性能；
图10：实施例1～3所得SiOx-C复合微球的倍率性能；
图11：实施例1～3所得SiOx-C复合微球的循环150圈后的SEM；
图12：实施例4所得SiOx-C复合微球的SEM。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
1)将0.3ml氨水分散在20ml水和8ml乙醇的混合溶液中，搅拌0.5h后，缓慢加入1ml乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)和0.1g间苯二酚，搅拌15min后，再滴加0.14ml甲醛溶液，反应24h后，离心、洗涤、干燥，得到乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球。
2)将干燥好的乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在管式炉中氩气气氛下于800℃碳化6小时，得到黑色的SiOx-C复合微球。
SiOx-C复合微球的合成机理如附图1所示。首先将硅源和酚醛分散在同一醇水体系中，在氨水的催化作用下有机硅烷和酚醛的水解缩合反应同时发生，最后共缩合形成了乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球，再经过高温碳化，得到黑色单分散SiOx-C复合微球。
以本实施例所得的SiOx-C复合微球为例。如附图2所示通过XRD充分证明了碳和硅氧化物的存在，且均为无定型态。如附图3所示的XPS图谱中，通过对Si的谱图进行分峰，可以看出其价态介于二价硅和四价硅之间。附图6中的a所示的热重分析图(TGA)表明本实施例所得的SiOx-C复合微球碳含量为39.75％，其较高的碳含量有利于缓解硅碳复合材料在充放电过程中的体积变化，从而维持稳定的结构。
附图4中的c所的示SEM和图4中的d所示的TEM表明材料形貌均一，分散性良好。从图5中的EDS元素分析可以看出，硅、碳、氧三种元素在微球中均匀分布，微球粒径约为400nm。
本实施例所得SiOx-C复合微球作为锂离子电池的负极材料的应用如下：电极片的制备过程采用SiOx-C复合微球作为活性材料，乙炔黑作为导电剂，海藻酸钠作为粘结剂。活性材料、乙炔黑、海藻酸钠的质量比为75：10：15。将活性材料、乙炔黑按比例充分混合后研磨均匀，按比例加入海藻酸钠水溶液并超声5h。最后将混合物均匀涂布在铜箔上,70℃下真空干燥下真空干燥12h后,冲成直径为13mm的圆形电极片。以1mol/L的LiPF6的EC/DMC(体积比为1:1)溶液为电解液，采用Celgard 2400隔膜，在手套箱中组装成CR 2016型扣式电池。在蓝电电池测试系统(LAND CT2001A)上，采用工作电压区间为0.01-3.0V(vs Li/Li+)进行充放电测试。
附图7是SiOx-C复合微球作为锂电池负极的充放电曲线，在100mA/g的电流密度下，首圈放电容量达到1460mAh g-1，首次库伦效率为66.1％，150圈之后仍然保持了853mAhg-1的容量。附图8中的a是在100mA g-1的电流密度下的循环性能,循环150圈后其电容量一直保持在850mAh g-1以上，显示了良好的循环稳定性。附图9是SiOx-C复合微球在不同电流密度下的倍率性能，从图中可以看出在不同的电流密度下，SiOx-C复合微球保持了稳定的容量，当电流密度恢复到最初时，放电容量也随之恢复，显示了良好的倍率性能。
附图11中的b是SiOx-C复合微球作为锂离子电池负极循环150圈后的形貌，从图中可以看出SiOx-C复合微球依然保持了完整的球形形貌，没有发生粉化或破裂(图11中的b)。
实施例2
1)将1ml氨水分散在20ml水和10ml乙醇的混合溶液中，搅拌0.5h后，缓慢加入1ml乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)反应12h后，离心、洗涤、干燥，得到乙烯基聚倍半硅氧烷微球。
2)将干燥好的乙烯基聚倍半硅氧烷微球在管式炉中于800℃碳化，得到黑色的SiOx-C 复合微球。
以本实施例所得的SiOx-C复合微球为例，平均粒径在1000nm左右(图4中的a,b)。通过热重测得碳含量为21.06％(图6中的a)。将所得SiOx-C复合微球应用于锂离子电池负极，首圈放电容量达到1499mAh g-1，循环135圈后容量衰减至400mAh g-1左右(图8中的a)，循环稳定性较差,倍率性能一般(图10中的a)。循环150圈之后，SiOx-C复合微球依然保持了完整的球形形貌，没有发生粉化或破裂(图11中的a)。
实施例3
1)将1ml氨水分散在20ml水和10ml乙醇的混合溶液中，搅拌0.5h后，缓慢加入1ml乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)和0.3g间苯二酚，搅拌15min后，再滴加0.42ml甲醛溶液，反应24h后，离心、洗涤、干燥，得到乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球。
2)将干燥好的乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在管式炉中于800℃碳化，得到黑色的SiOx-C复合微球。
以本实施例所得的SiOx-C复合微球为例，平均粒径在300nm左右(图4中的e,f)。通过热重测得碳含量为59.38％(图6中的c)。将所得SiOx-C复合微球应用于锂离子电池负极，循环150圈后容量稳定在625mAh g-1左右(图8中的c)，循环稳定性良好，且倍率性能优异(图10中的b)。循环150圈之后，SiOx-C复合微球依然保持了完整的球形形貌，没有发生粉化或破裂(图11中的c)。
实施例4
1)将1ml乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)分散在30ml水溶液中，搅拌0.5h后，加入0.18g 间氨基苯酚，搅拌15min待间氨基苯酚完全溶解后，再滴加0.8ml氨水，然后快速加入0.25ml 甲醛，室温下反应24h后，离心、洗涤、干燥，得到聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球。
2)将干燥好的乙烯基聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在管式炉中于800℃碳化，得到黑色的SiOx-C复合微球。
以本实施例所得的SiOx-C复合微球为例，平均粒径在600nm左右(图12)，分散性良好，粒径相对均一。
Claims (7)
1.单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其中0<x≤2，包括有以下步骤：
1)将碱性溶液分散在一定比例的醇水混合溶液中，加入酚源和有机硅烷搅拌拌均匀，加入甲醛溶液，反应，离心、洗涤、干燥后得到聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球；所述的有机硅烷是乙烯基三乙氧基硅烷或乙烯基三甲氧基硅烷，所述的酚源是间苯二酚或间氨基苯酚，所述的碱性溶液为氨水；
2)将所得的聚倍半硅氧烷-酚醛树脂复合微球在惰性气氛下碳化，得到黑色的单分散的SiOx-C复合微球。
2.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于步骤1)所述的醇水体积比例在0～10之间，不含0。
3.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于所述的氨水浓度控制在0.01～3mol/L。
4.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于所述的酚源和甲醛的摩尔比控制在0.1～10之间。
5.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于所述的有机硅烷的浓度控制在0.01～3mol/L。
6.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于步骤1)所述的反应温度为25～80℃，反应6～48小时。
7.根据权利要求1所述的单分散的SiOx-C复合微球的宏量制备方法，其特征在于步骤2)所述的碳化温度是500～1200℃，时间为3～12小时。
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