[发明专利]二氧化硅/碳复合物的制备方法及在锂/钠离子电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种以生物质为原料制备二氧化硅/碳复合物的方法，以及二氧化硅/碳复合物作为锂离子电池和钠离子电池负极材料的应用。

背景技术

材料是人类生产活动和生活必须的物质基础，与人类文明和技术进步密切相关。随着社会的不断进步与发展，人类目前面临着资源枯竭和生存环境恶化的双重挑战。因此，各个国家正在努力推进与研发新材料，推进低碳生活理念，促进人类社会走向节能型、资源可循环利用的可持续发展模式。作为可替代性再生能源，太阳能，风能，水能，地热能等可满足高效储能系统的发展。然而，对于可移动设备，如计算机、通讯设备、电动汽车等大规模系统，锂离子电池是关键部件。与铅酸电池、镍镉电池和镍-氢电池相比，锂离子电池的能量密度和重量密度均较高，其重量密度可达200Wh.kg^-1，体积能量比密度可达400Wh.L^-1。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能及市场竞争力。目前，锂离子电池的负极材料主要为石墨、硅、锡以及金属氧化物等。这些材料在使用过程中存在一些问题：如石墨负极材料生产成本较高，合成温度高于2000℃；硅和锡在充放电过程中结构不稳定，循环性能差；金属氧化物的首周库伦效率太低等，这些都一定程度上限制了无机负极材料的广泛应用。因此，开发成本低、可持续性能好的负极材料符合当代能源战略的需求。

大气、水、土地等通过光合作用产生的各种有机体，即生物质，是一种可循环利用的、低碳环保的原料，合理利用生物质废弃物(例如秸秆、木屑、稻壳、树枝等)可以变废为宝，实现资源的循环利用。大多数生物质废弃物的营养物质少、灰分含量高、硬度大，目前其利用程度较低，大部分被当作农业垃圾废弃，造成了严重的污染和浪费。因此，在化石资源匮乏的今天，开展对稻壳、植物秸秆等生物质各种组分的分离与利用的研究，既开发了可再生资源，又保护了环境。

生物质的主要成分为半纤维素、木质素、纤维素和无定形二氧化硅。目前，已经有报道以稻壳、植物秸秆等生物质为原料，经过化学处理，并利用NH₄HF₂或HF溶解二氧化硅，得到碳材料，作为锂离子电池负极材料，但是该方法处理过程复杂，操作不方便，并且得到的碳材料作为锂离子电池负极材料时容量衰减较大(Wang,L.P.；Schnepp,Z.；Titirici,M.M.,Rice husk-derived carbon anodes for lithium ion batteries.J Mater Chem A 2013,1(17),5269-5273.)。另外，也有报道将 生物质中的二氧化硅通过金属Mg还原，得到纳米Si，结果表明，得到的纳米Si具有良好的电化学性能(Liu,N.A.；Huo,K.F.；McDowell,M.T.；Zhao,J.；Cui,Y.,Rice husks as a sustainable source of nanostructured silicon for high performance Li-ion battery anodes.Sci Reports 2013,3.)。

发明内容

本发明提出了一种二氧化硅/碳复合物的制备方法，本发明采用成本低、环境友好的生物质为原料，经过热处理和化学处理，得到二氧化硅/碳复合物，并将该二氧化硅/碳复合物作为锂离子电池和钠离子电池负极材料应用。本发明制备二氧化硅/碳复合物采用的原料成本低，对环境友好，制备方法简单易操作，且本发明得到的二氧化硅/碳复合物作为锂离子电池和钠离子电池负极材料时，具有优异的性能。

本发明的技术方案如下：

二氧化硅/碳复合物的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将生物质灰碾碎成小于厘米级别的颗粒；

步骤2：将步骤1得到的颗粒在800～1500℃温度下，氩气、氮气、一氧化碳、氢气或水蒸气气氛下热处理4～20h，随炉降温到室温；

步骤3：将步骤2得到的产物在水中或者稀酸中清洗，分离，分离后得到的固体在真空干燥箱中80℃温度下干燥，得到二氧化硅/碳复合物。

其中，所述步骤1的处理过程还可以是：将生物质灰碾碎成小于厘米级别的颗粒，然后将碾碎后的颗粒在水中或者物质的量浓度小于3mol/L的酸中浸泡24h，最后分离得到处理后的颗粒。

所述步骤1的处理过程还可以是：将生物质灰碾碎成小于厘米级别的颗粒，然后将碾碎后的颗粒与KOH或NaOH固体以质量比为1：1～10的比例混合。