[发明专利]一种基于含二氧化硅矿物的硅碳复合材料制备方法

说明书

本发明属于新能源材料制备与应用技术领域且公开了一种基于含二氧化硅矿物的硅碳复合材料制备方法，具体包括以下步骤：以含二氧化硅的矿物为原材料，首先用酸洗除掉除二氧化硅之外的氧化物，然后通过镁热还原并通过酸洗中间产物得到硅颗粒，随后，将获得的硅颗粒进行表面改性，将表面改性的硅颗粒同有机碳源和石墨粉混合，干燥后进行高温炭化处理，最终得到硅碳复合材料，应用于锂离子电池具有优异电化学性能，较高的比容量，长循环寿命，是一种理想的锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明具体涉及一种基于含二氧化硅矿物的硅碳复合材料制备方法，属于新能源材料制备与应用技术领域。

背景技术

硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料，是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是320％。所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300％。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。但由于硅的本征电导率很低，而且大的比表面积使多孔硅易形成氧化层，影响硅基锂电负极材料的首次效率、比容量、循环性和倍率性能，并且硅在常规的电解液中很难形成稳定的固体电解质膜，导致循环性能低下。

从长期的基础研究来看：①通过硅粉纳米化；②硅碳包覆；等技术手段可以有效解决硅在锂电池负极应用中遇到的问题。另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和电解液接触，产生厚的SEI膜的消耗。微观结构的设计也很重要，要来维持在循环过程中电子的接触，离子的通道，体积的膨胀。碳包覆机理在于：Si的体积膨胀由石墨和无定形包覆层共同承担，避免负极材料在嵌脱锂过程因巨大的体积变化和应力而粉化。碳包覆的作用是：(1)约束和缓冲活性中心的体积膨胀；(2)阻止纳米活性粒子的团聚；(3)阻止电解液向中心渗透，保持稳定的界面和SEI；(4)硅材料贡献高比容量，碳材料贡献高导电性。

专利CN102208634B曾报道一种多孔硅碳复合材料及其制备方法，将制备出的多孔二氧化硅还原为多孔硅，然后采用有机碳源进行包覆，制备出多孔硅碳复合材料。专利CN107910524A报道将多孔硅粉碎后再与碳基材料均匀混合后热处理，制备出多孔硅碳负极材料。专利CN102208636A曾报道一种以硅藻土为原料制备多孔硅/炭复合材料及应用，即利用金属热还原法还原硅藻土得到具有多孔结构的单质硅，再通过与碳材料和/或碳的前驱体机械球磨或化学气相沉积的方法制备得到孔硅/炭复合材料，但是其应用于锂离子电池时，循环寿命较差。CN108493412 A提供了一种以含有二氧化硅材料为原料，通过调控镁热还原温度和时间来控制中间产物Mg2Si的生成量，再通过酸洗中间产物并结合溶液蒸发与碳化方法包碳，制备得到循环性能提高的硅碳复合材料。在镁热还原之前没有对二氧化硅原材料进行纯化处理，导致镁热还原过程中还原反应困难，还原时间和温度都增加，镁的用量必然增加，同时导致最终的材料内阻大，没有发挥出硅的高比容量特性。另外，镁热还原过程制备的超细硅颗粒在覆碳过程中容易团聚，将超细硅颗粒在分散剂的作用下超声分散，一是进行表面改性，二是防止在覆碳过程团聚。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种基于含二氧化硅矿物的硅碳复合材料制备方法，能有效防止硅颗粒在覆碳过程中团聚，提高硅碳复合材料的性能，可以有效解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种基于含二氧化硅矿物的硅碳复合材料制备方法，包括以下步骤：

S01：将研磨后的含SiO₂矿物用酸纯化处理，除掉矿物硅之外的金属氧化物，水洗后干燥，获得SiO₂颗粒；