[发明专利]一种生物法制备碳硅复合材料的方法

说明书

本发明提供了一种生物法制备碳硅复合材料的方法，将鸡饲料原料与含硅材料混合造粒，用含硅饲料喂养鸡群，含硅鸡饲料在鸡胗内通过消化过程得到充分混合，有机碳源化合物对含硅材料形成预包覆；不可消化的含硅材料微粉与未消化的有机碳源化合物以鸡粪便排出，收集含硅鸡粪，烘干，均质化处理；将均质化含硅鸡粪在惰性气氛下进行高温碳化处理，得到碳硅复合材料。本发明充分利用鸡胗这一生物搅拌器制备碳硅复合材料前驱体，可以解决鸡粪污染问题，提高鸡粪附加值。

技术领域

本发明属于锂电池材料制备领域，尤其是涉及一种生物法制备碳硅复合材料的方法。

背景技术

硅作为锂离子电池最有潜力的负极候选材料，由于在嵌锂过程中体积发生300%以上的膨胀,使得硅在锂离子电池中的应用受到了巨大的阻碍。为克服硅的体积效应，人们普遍采用硅基复合材料来提高硅负极材料的循环性能。一方面，纳米硅粉可以减小锂离子嵌入引起的硅颗粒的绝对体积变化， 减小复合材料的内应力；另一方面，复合材料中的弱体积变化相可以缓冲或限制硅的体积变化。

碳与硅相近似的化学性质，为两者的紧密结合提供了理论依据，所以碳常用作与硅复合的首选基质。硅通常与石墨、石墨烯、无定型碳和碳纳米管等不同的碳基质制备复合材料，在碳硅复合的体系中硅主要作为活性物质，提供容量；碳材料一般作为分散基质，限制硅颗粒的体积变化，并作为导电网络维持电极内部良好的电接触。

其中，碳硅复合材料最常用的合成方法有：化学气相沉积法、溶胶凝胶法、高温热解法、机械球磨法和水热合成法。但化学气相沉积法在实际操作中工艺条件不易控制，产量少，大规模工业化困难；溶胶凝胶法采用碳凝胶较其他碳材料的循坏稳定性差；高温热解法产生的碳硅复合材料中硅的分散性较差，且颗粒容易发生团聚等现象；机械球磨法是两种反应物在机械力作用下的混合，颗粒团聚现象非常严重；水热合成法能耗高、产量低，同样不适合大规模批量生产。因此现实问题是缺乏一种方法使制备组分间连接紧密、分散均匀、不易发生团聚且硅材料分散均匀、能够大规模工业化生产。

同时，硅是极为常见的一种元素，硅是一种高等植物、动物和人类生存所必需的元素。1972年发现硅是鸡和大鼠生长和发育必不可缺的元素。它能参与结缔组织、骨骼和软骨的形成,维持组织结构的完整性和某些酶的活性并与人类组织的老化有密切关系。

鸡胗作为鸡消化的器官，帮助鸡进行消化，鸡通过吞食的小石子，将储存在鸡胗里面的食物充分磨碎然后消化。鸡胗就是鸡的胃脏(即鸡肫、鸡菌肝、鸡内金)，禽类的胃分肌胃和腺胃，腺胃较小分泌胃液，肌胃较大且肉质较厚负责储存和磨碎食物。蛋鸡饲料中通常需要添加8%~15%的含碳酸钙原料，无机添加物是鸡饲料中的组成成分之一，因此，在鸡饲料中添加硅粉，对鸡无毒害作用，硅在酸性条件下的稳定性，保证硅材料在鸡胗内可以代替小石子作为磨料，由于鸡的消化道较短，食物在肠道中的停留时间不长，吃下去的饲料的养分也只能吸收1/3左右，剩余有机组分可以作为碳硅复合材料的碳源。并且实验分析表明，烘干处理后的鸡粪含有丰富的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、矿物质及钙、磷等营养成分。干粪中各物质的平均含量为：粗蛋白20~30%、纯蛋白10~15%，粗纤维10~15%、总氨基酸5~10%、粗脂肪2~5%等。根据《黑龙江八一农垦大学学报》2003年第15卷第2期的文章《烘干鸡粪营养成分的分析》所述，烘干鸡粪与几种常见饲料营养成分比较可知，烘干鸡粪中的粗蛋白、粗脂肪和粗纤维的总占比与大豆、豆饼、豆秙粉饲料中的总占比基本上是一致的。

因此，我们利用活鸡鸡胗的这种特性，将硅粉与普通鸡饲料进行充分混合，鸡进食后，带有一定比例的硅粉饲料进入鸡的鸡胗，鸡胗在消化研磨食物的过程中，使硅粉与食物混合更加均匀，并且伴随鸡的消化，饲料中的营养成分被充分消化，鸡吸收剩余的大量蛋白、纤维与硅粉伴随鸡的粪便排出。通过对粪便的高温碳化处理，可以得到一定比例的碳硅复合材料。

我国年出栏鸡约40亿只，每年年产鲜鸡粪约1.7亿吨，换算为干鸡粪约5500万吨。如果鸡粪不进行合理的有附加值的二次利用，则会对环境造成非常严重的影响。作为碳硅复合材料生产原料，具有很大的潜力。

发明内容