[发明专利]一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料，所述复合负极材料由稻谷壳、酸溶液、氯化锌、碳源、还原剂、乙醇和去离子水原料制备而成；硅氧化物颗粒直径为50～150nm；硅的质量分数为4.8～21.5％，氧的质量分数为5.2～18.5％，碳的质量分数为60～90％。本发明的稻壳基硅氧物/碳复合负极材料应用于锂离子电池，不仅能改善锂电池的首次库伦效率和循环寿命，而且工艺简单、重现性好、易于实施，适合大规模生产。本发明还公开了稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料的制备方法与应用方法。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种锂离子电池负极材料和制备及应用，特别涉及一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

近几十年来，随着小型电子设备、电动汽车应用需求的快速增长，人们对锂离子电池的容量和能量密度提出了更高的要求。目前商用的锂离子电池因其负极(石墨)理论比容量(372mAh g^-1)相对较少的而无法满足人们的需求。因此开发一种新型的高容量锂离子电池负极材料变得至为重要。

硅是一种极具潜力的合金型锂离子电池负极材料。它不仅具有4200mAh g^-1的高容量，这相当于石墨的十几倍，而且具有较低的放电电位平台和丰富的地壳储量。但是硅基材料作为锂离子负极材料，其低导电率和巨大的体积膨胀阻碍了其推广应用。在充放电过程中巨大的体积膨胀，导致了电极材料的严重粉末化和导电网络脱落，形成不稳定的固体电解质界面。为了解决这一问题通常采用的方法有：(1)在硅基材料的表面涂覆一层碳基材料，这不仅可以提高硅基材料的导电性，而且还能有效地控制硅基材料在充放电过程中的体积膨胀。(2)减小颗粒的尺寸，也是解决硅基材料导电率差和冲放电过程中体积膨胀大的有效途径。体积小，积累的应力小，可以防止结构坍塌，实现长期稳定。

稻壳作为一种产量丰富的农副产品，主要由硅酸盐、木质素、纤维素、半纤维素组成。稻壳中二氧化硅的含量高达15-20wt％，这决定了稻壳可以作为硅/碳材料使用。同时稻谷壳本身结构的特殊性，可直接用于制备纳米复合材料。

以稻壳为原料制备硅氧碳复合材料，不仅避免了由于稻壳焚烧和填埋对环境造成的负面影响，而且通过改性及煅烧等处理可以得到廉价的硅氧碳材料，将这种高性能的廉价硅氧碳材料作为负极材料，应用于锂离子电池，可以有效地缓解能源短缺问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料及其制备方法与应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料，由稻谷壳、酸溶液、氯化锌、碳源、还原剂、乙醇和去离子水制备而成；所述的硅氧化物/碳复合负极材料，其硅氧化物颗粒直径为50～150nm；硅氧化物的质量分数为10～40％，碳的质量分数为60～90％。

为达到上述目的，本发明的另一个技术方案是：

一种稻壳基硅氧化物/碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将稻壳用超纯水清洗干净、然后浸泡于质量百分比为3～12％的酸溶液中，不断搅拌并保持24～36h后，通过离心分离并用超纯水洗至上层清液pH＝7，然后在60～80℃烘干，得到产物A；

(2)将产物A与氯化锌按质量比1:1～4混合后，球磨2～10h,然后置于60～80℃烘干，得到产物B；

(3)将产物B平铺于氧化铝瓷舟中，置于惰性气体的管式炉内以0.02～0.5℃/min的升温速率在400～500℃进行高温预碳化1～5h，得到产物C；

(4)将产物C与碳源按质量比1:0.125～3.5混合并球磨0.5h～8h，再将其铺平在氧化铝瓷舟中，置于惰性气体的管式炉内以0.02～0.5℃/min的升温速率在700～1100℃进行高温碳化2～10h，得到产物D；