一种生物质衍生硅碳负极材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于电池，尤其涉及一种生物质衍生硅碳负极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车市场的快速增长和储能技术的不断发展，硅碳负极材料的市场需求也呈现出快速增长的态势。硅碳负极材料能够显著提升电池的能量密度和续航里程，是新能源汽车、储能系统等领域的关键材料之一。硅碳负极材料在实际应用过程中面临体积膨胀、首次效率低、成本高等技术挑战。体积膨胀可能导致热稳定性和化学稳定性下降、容量迅速衰减、循环性能恶化等问题。首次效率低则意味着在首次充放电过程中，电池的能量利用率较低。成本方面，硅碳负极材料的生产成本相对较高，增加了电池的整体成本。

2、硅碳负极材料因其理论能量密度远高于石墨(372mah/g)，被认为是新一代高能量密度锂离子电池最具发展潜力的负极材料。

技术实现思路

1、本发明旨在解决锂离子电池的负极材料在应用过程中热稳定性和化学稳定性下降、容量迅速衰减、循环性能恶化的技术问题，本发明提供一种生物质衍生物和硅藻生物二氧化硅协同复合的生物质衍生硅碳负极材料及其制备方法与应用，利用生物质衍生碳对比容量的增强作用及硅藻的多孔特质协同提升锂离子电池的比容量和稳定性。

2、本发明的发明构思为：本发明以稻谷和硅藻为原料，稻谷经过酸洗、碱提、再沉淀、干燥、碳化和球磨，制得生物质衍生碳；硅藻经氧化酸解、过滤洗涤、干燥和煅烧制得硅藻生物二氧化硅；然后将生物质衍生碳和硅藻生物二氧化硅协同复合制得硅碳负极材料。该生物质衍生硅碳材料结合了硅基活性材料的高容量和碳基导电材料的良好导电性，能够提供更高的理论容量和实际容量，从而显著提升电池的能量密度；同时，该生物质衍生硅碳材料具有多孔纳米结构和形貌，有利于缓解硅在嵌锂过程中的体积膨胀，从而提高材料的结构稳定性。因此，本发明的硅碳负极材料具有高孔隙率和大比表面积的特点，可有效减轻电池充放电过程中负极电极材料的体积膨胀，保持电极结构稳定，并具有比容量高，初始库伦效率优异和安全性能好的优势，应用于锂离子电池中，可有效提高电池的充放电容量和循环稳定性。

3、为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、生物质衍生碳的制备：

5、(1)将稻壳粉加入酸溶液中进行酸洗，经真空过滤，提取沉积物；

6、(2)在步骤(1)提取的沉积物中加入碱溶液进行碱提，经回流煮沸，再次真空过滤，提取溶液；

7、(3)在步骤(2)提取的溶液中加入去离子水和乙醇，然后滴入硫酸，并在搅拌条件下加入聚乙二醇，调节ph值为酸性，经静置，抽滤，得沉淀物；

8、(4)将步骤(3)制得的沉淀物洗涤至中性，经干燥、碳化、研磨，得所述生物质衍生碳；

9、硅藻生物二氧化硅的制备：

10、1)将过氧化氢、盐酸和硅藻混合，进行氧化酸解，静置，得白色沉淀；

11、2)对所述白色沉淀进行清洗、离心或过滤、真空干燥和煅烧，得所述硅藻生物二氧化硅；

12、将所述生物质衍生碳与所述硅藻生物二氧化硅混合，得所述负极材料。

13、优选地，步骤(1)中，所述稻壳粉由稻壳经洗涤粉碎后制得。

14、优选地，步骤(1)中，所述酸溶液为盐酸，所述盐酸的浓度为0.5-2mol/l。

15、优选地，步骤(2)中，所述碱溶液为naoh或koh，所述碱溶液的质量分数为5-15％。

16、优选地，步骤(2)中，所述回流煮沸的时间为4-8小时。

17、优选地，步骤(3)中，所述提取的溶液、去离子水和乙醇的体积比为(1-3)：(1-3)：1。

18、优选地，步骤(3)中，所述硫酸的浓度为0.5-2mol/l。

19、优选地，步骤(3)中，所述聚乙二醇与稻壳粉的质量比为(8-10)：1。

20、优选地，步骤(3)中，所述ph值为2-4。

21、优选地，步骤(3)中，所述静置的时间为12-24小时。

22、优选地，步骤(4)中，所述干燥的温度为80-120℃。

23、优选地，步骤(4)中，所述碳化为在惰性气氛下于1000-1600℃热处理2-6小时，所述惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。

24、优选地，步骤(4)中，所述研磨为以500-700rpm的转速球磨8-24小时。

25、优选地，步骤1)中，所述硅藻为根据nitzschia palea的沉淀特性，经沉淀收集而得。

26、优选地，步骤1)中，所述过氧化氢的质量分数为25-35％。

27、优选地，步骤1)中，所述盐酸的的浓度为1-2mol/l。

28、优选地，步骤1)中，所述过氧化氢和盐酸的体积比为(0.8-1.5)：1。

29、优选地，步骤1)中，所述静置的时间为24-48小时，静置以除去硅藻细胞中的有机质，直至获得白色沉淀。

30、优选地，步骤2)中，所述清洗采用去离子水进行清洗2-4次。

31、优选地，步骤2)中，所述真空干燥的温度为60-80℃，干燥时间为16-24小时。

32、优选地，步骤2)中，所述过滤为采用筛绢过滤收集硅藻生物二氧化硅。

33、优选地，步骤2)中，所述煅烧为在惰性气氛下于550-700℃热处理2-6小时，所述惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。

34、优选地，所述生物质衍生碳与所述硅藻生物二氧化硅的质量比为(0.1-0.8)：1。

35、优选地，所述生物质衍生碳与硅藻生物二氧化硅通过球磨混合，所述球磨的转速为500-700rpm，球磨时间为8-24小时。

36、本发明的第二方面提供了一种负极材料，由上述负极材料的制备方法制得，所述负极材料的比表面积为25-30m2/g。本发明的负极材料利用生物质衍生碳对比容量的增强作用及硅藻的多孔特质，二者的协同复合实现对比容量的增强。

37、本发明的第三方面提供了一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述负极包括上述负极材料。

38、本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：

39、(1)本发明以稻谷和硅藻为原料，将稻谷经酸洗、碱提、再沉淀、干燥、碳化和球磨所得生物质衍生碳，与硅藻经沉淀收集、氧化酸解、过滤洗涤、干燥和煅烧所得的硅藻生物二氧化硅协同复合制得硅碳负极材料。该硅碳负极材料具有高孔隙率和大比表面积的特点，可有效减轻电池充放电过程中负极电极材料的体积膨胀，保持电极结构稳定，应用于锂离子电池中，有利于提高电池的充放电容量和循环稳定性。

40、(2)本发明的负极材料，其原料来源丰富，成本低廉，可大大降低原料成本，并能有效减少环境影响，推动其商业化应用。将具有高孔隙率和大比表面积的硅藻生物二氧化硅与生物质衍生碳复合制备的硅碳负极材料应用于用于锂离子电池中，首次放电比容量可达到2100mah/g，在103ma/g的电流密度下经50次循环容量保持率高，可不低于95％，甚至可达95.23％。