[发明专利]一种包覆硅纳米球的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种包覆硅纳米球的方法。

背景技术

硅材料由于质量比容量(4200mA h g^-1)为普通石墨质量比容量(372mA h g^-1)的10倍以上而被认为最具希望成为下一代充放电电池的负极材料。然而硅材料在穿插锂过程中巨大的体积变化会造成电极碎裂、电接触不良和不稳定的固液界面，从而使得电极实际容量急剧降低。同时，硅作为电极材料，电子导电性也不是很理想。

为解决硅作为电极材料电子导电性不良和体积膨胀的问题，通常将纳米硅颗粒与碳材料混合，如图1所示，图1是传统硅纳米颗粒与碳简单混合示意图，这种结构由于引入了电子导电性优良的碳材料，同时碳材料能一定程度缓解硅材料充放电过程中的体积变化，从而有效提升了电极的倍率性能和循环性能。可由于传统方法直接采用碳与硅材料混合，碳材料不能很理想地包覆硅材料，尽管具有一定作用，然而效果并不理想。

发明内容

本发明提出的一种包覆硅纳米球的方法，可解决传统直接采用碳与硅材料混合，碳材料不能很理想地包覆硅材料的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种包覆硅纳米球的方法，包括步骤一：准备碳源溶液；

称量一定量碳源粉末，同时用量筒量取适量去离子水，将该碳源粉末溶解于准备好的去离子水中，然后搅拌形成澄清的碳源溶液，随后放入适量纳米硅粉继续搅拌形成浑浊的溶液；

步骤二：水热处理碳源溶液；

将上述浑浊溶液倒入不锈钢水热反应釜中密封，随后将反应釜放入鼓风干燥箱中，180℃条件下水热反应6h，自然冷却至室温后打开水热反应釜，将反应后的产物清洗过滤后在100℃条件下干燥12h，碾磨后得到棕色的粉末样品；

步骤三：高温加热方法；

称量适量步骤二中所得棕色的粉末样品，将粉末样品放入试管中，同时持续通入氮气将试管内的氧气排空，通过高温加热对粉末样品进行处理，直到硅碳石榴结构形成。

进一步的，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂或糠醛树脂。

进一步的，所述步骤一中用磁力搅拌器搅拌成澄清的碳源溶液。

进一步的，所述步骤三中高温加热为900℃高温加热。

由上述技术方案可知，本发明利用碳的前驱物与硅纳米球混合，随后利用高温加热法对混合物进行处理，直至得到碳硅石榴结构，从而缓解硅材料在充放电过程中出现的问题，使得实际比容量更高更稳定，同时提升电极的电子导电性和缓解其体积膨胀。不仅如此，本发明的制备方法简单、经济和环保，将使得大规模生产这种硅碳石榴结构成为可能。

本发明的包覆硅纳米球的方法具有以下有益效果：

由于本发明中采用碳的前驱物，即粘稠状或者液态的有机物与纳米硅颗粒混合，并进一步碳化得到硅/碳的核/壳结构，相对固态碳与纳米硅颗粒混合，能更好地包覆，并有效提升电极材料的电子导电性和缓解充放电过程中的体积变化。

附图说明

图1是本发明的硅纳米颗粒与碳简单混合示意图；

图2是本发明硅碳石榴结构制备过程示意图；

图3是本发明单颗碳包覆硅纳米颗粒透射电子显微镜图；

图4是本发明硅碳石榴结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图2所示，本实施例所述的包覆硅纳米球的方法，包括：

步骤一：准备葡萄糖溶液；

用电子秤称量27g葡萄糖粉末，同时用量筒量取100mL去离子水，将27g葡萄糖粉末溶解于100mL去离子水中，用磁力搅拌器搅拌10min形成澄清的葡萄糖溶液，随后放入2g纳米硅粉继续搅拌10min形成浑浊的溶液。

步骤二：水热处理葡萄糖；

将该溶液倒入250mL聚四氟乙烯衬里的不锈钢水热反应釜中密封，随后将反应釜放入鼓风干燥箱中，180℃条件下水热反应6h，自然冷却至室温后打开水热反应釜，将反应后的产物清洗过滤后在100℃条件下干燥12h，碾磨后得到棕色的粉末样品。

步骤三：高温加热方法；

用电子秤称量10g棕色的粉末样品，将粉末样品放入试管中，同时持续通入氮气将试管内的氧气排空，利用900度高温加热方法对粉末样品进行处理。

如上，直到硅碳石榴结构形成，如图3和图4所示，碳包覆后的硅碳复合材料呈现石榴结构，即硅纳米颗粒有效包覆于碳三维结构里面。而传统的硅碳复合材料只是简单地混合，难以实现有效包覆。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。