[发明专利]一种钴-氧化硅/碳纳米复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属电化学技术领域，具体涉及一种通过水热法制备钴-氧化硅/碳纳米复合材料的方法。

技术背景

锂离子电池是目前比能量最高的一种便携式化学电源。当前，商用锂离子电池使用的负极材料集中于碳材料，但碳负极材料存在比容量低、易发生有机溶剂共嵌入等缺点，影响了其在高比能、高功率型电池中的应用。研究表明，当负极材料的比容量在1000～1200mAh/g时可以显著提高锂离子电池的总比容量，因此新型负极材料的研究开发备受瞩目。硅作为目前研究的各种合金中理论容量最高的负极材料已经引起越来越多业内人士的关注，锂与硅反应可得到不同的产物，如Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Li₇Si₃、Li₂₂Si₅等，Li₂₂Si₅的理论插入量达4200mAh/g，锂插入硅的中止电位可以控制在0.2V以上，能够显著提高电池的容量和安全性能(S.Bourderaus，T.Brousse，D.M.Schleich.Amorphous silicon as a possible anode material for Li-ion batteries.Journal ofPower Sources，1999，81(81-82)：233～236)。但是，Si基材料在脱、嵌锂循环过程中要经历严重的体积膨胀和收缩(体积变化率：280％～300％)，造成材料结构的破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减。通过合金化(G.X.Wang，L.Sun，D.H.Bradhust，et al..Nanocrystalline NiSi alloy as an anode material for lithium-ionbatteries.Journal of Alloys and Compounds，2000，306：249～252)方法可以一定程度上改善循环性能，但是没有根本解决Si基材料循环稳定性的问题。后来采用纳米氧化物粒子，由于氧化硅在首次嵌锂过程中，形成氧化锂，而氧化锂作为惰性成分可以减缓充放电过程中体积的变化，提高结构的稳定性和循环性能(J.Yang，Y.Takeda，N.Imanishi，et al..SiOx-based anodes forsecondary lithium batteries.Solid State Ionics，2002，152-153：125-129)。然而纳米粒子之间易发生团聚，在循环过程中纳米粒子的电团聚使得材料逐渐失去纳米特性，容量衰减迅速，而且氧化硅首次不可逆容量较大，因此纳米氧化硅负极材料离实用化仍有相当大的距离。因此本发明针对Si基材料循环稳定性差、首次库伦效率低等问题，在材料组成设计和纳米颗粒表面修饰方面进行了广泛深入的研究，设计并制备了Si基纳米复合负极材料：碳包覆钴-氧化硅负极材料，该材料通过水热法制备，其结构稳定、颗粒分布均匀、安全性好，比容量高，首次库伦效率高，是一种有发展前途的锂离子电池高比容量负极材料。并采用钴-氧化硅/碳复合材料作为锂离子电池负极材料，组装成锂离子电池。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种钴-氧化硅/碳纳米复合材料的制备方法，用于生产钴-氧化硅/碳纳米复合材料。

本发明的目的通过以下方式实现：

一种钴-氧化硅/碳纳米复合材料的制备方法，该方法的具体制备步骤如下：

(1)配制溶液A：将正硅酸醋乙酯、聚乙烯吡咯烷酮、碳源、钴源和去离子水混合，搅拌均匀，制成溶液A。其中，正硅酸醋乙酯和去离子水的体积比为1∶10-1∶30，聚乙烯吡咯烷酮和二氧化硅的质量比为2∶1-1∶3、碳源和二氧化硅的摩尔比为1∶1-10∶1、钴源和二氧化硅的摩尔比为1∶2-1∶6。

配制溶液B：将氢氧化钠、硼氢化钠和去离子水混合，搅拌均匀，制成溶液B。其中，氢氧化钠和钴源的摩尔比为2∶1-5∶1、硼氢化钠和钴源的摩尔比为2∶1-5∶1、氢氧化钠和去离子水的质量比为1∶5-1∶80；

(2)将溶液B加入到溶液A，继续搅拌至均匀，倒入水热罐中；

(3)将水热罐置于烘箱中，130-180℃保温5-48小时；

(4)将步骤(3)所得产物用去离子水和无水乙醇洗涤、过滤后，置于烘箱中80-120℃烘干；