[发明专利]硫掺杂碳纳米线及其三维网络‑硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，具体涉及一种硫掺杂碳纳米线及其三维网络与硅的复合锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

碳材料在人类文明的发展进程中发挥了重要作用，其形式和性质的多样性吸引了国内外学者的关注。近20年来，碳纳米线材料因其优越的力学、电学和化学性能成为研究热点并被广泛地应用于能源、材料、天文、环保、微电子、半导体、航空航天、生物医学、化工等诸多领域，并渗透到各新兴产业中，有巨大的应用前景。但当碳纳米线材料作为锂离子电池负极材料时，首次库伦效率很低(Electrochimica Acta 2012,76,326-332；Electrochemistry Communications 2006,8,1275-1279.)。研究表明，与纯碳材料相比，经杂原子掺杂改性后的碳材料在某些方面显示出更为优异的性能，(Carbon 2014,68,1-32；Angewandte Chemie-International Edition 2010,49,10084-10088；Energ Environ Sci 2014,7,621-626.)因此，对杂元素掺杂碳纳米线材料制备的研究具有一定的现实意义。硫掺杂碳材料的研究是碳材料研究的重要方面。硫掺杂碳有利于提高碳材料在某些方面的性能，可归因于以下几点：(1)与碳元素相比，掺杂的硫原子外层电子较多，因此，与纯碳材料相比，硫掺杂碳材料因其中含有的硫原子能够提供电子，表现出金属性，从而使材料本身的机械性能提高；(2)硫原子在掺杂的碳材料中形成—C—S—C—和—C—SO₂—C—两种结构，硫原子在材料中与碳原子形成的共价键可以改善碳材料的电子传输性能，同时，降低阻抗系数，从而使硫掺杂碳材料在锂离子电池材料、超级电容器、场发射器件方面显示出广阔的应用前景；(3)硫的掺入有利于增加碳原子间距提高材料的比表面积，同时，也给碳材料表面引入活性位点，作为功能型材料，硫掺杂碳材料更显示出强大的吸附优势，在催化剂负载、药物传递方面有潜在应用。

在众多新型锂离子电池负极材料中，硅基负极材料具有其它负极材料无法匹敌的高容量优势(Li₂₂Si₅，理论储锂容量4200mAh/g)，是目前商业碳负极材料理论容量的11倍。锂嵌入硅的电位(低于0.5V)低于一般溶剂分子的共嵌入电压，高于锂的析出电位。因此，硅基负极材料可以解决溶剂分子嵌入以及锂枝晶析出的问题。但是，硅基材料导电性差，同时其在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，体积变化率约为400％，会造成电极材料粉化以及电极材料与集流体分离。硅基材料的上述缺陷严重限制了其商业化的应用。为克服硅的体积效应，发明人之前制备出纳米硅镶嵌于硫掺杂碳的块状复合材料(J.Mater.Chem.,2012,22,1094；发明专利201110199707.6)，实验结果表明，制备的硫掺杂碳包覆硅的锂离子复合负极材料具有超高的首次库伦效率；和裸硅负极材料相比，复合材料的电化学循环性能有显著的提高。与块状硫掺杂碳的主体材料相比，硫掺杂碳纳米线三维载体是性能更加优异的弹性载体。因此，通过制备出硫掺杂碳纳米线和硅的复合负极材料，开发出高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池，具有一定的理论价值和实践意义，对推动锂离子电池产业的技术升级和新能源产业、电动汽车及混合电动车产业的发展无疑具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供了一种硫掺杂碳纳米线锂离子电池负极材料的制备方法，本发明还提供了一种锂离子电池硫掺杂碳纳米线和硅的复合负极材料的制备方法。

为实现上述目的，所采取的技术方案：一种硫掺杂碳纳米线锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)称取软模板剂，将其溶解于水中，搅拌后得到澄清透明的溶液；

(2)在搅拌下缓慢滴入含硫聚合物单体，加入氧化剂，搅拌均匀；

(3)通入惰性气体后，在加热搅拌下反应，得到反应产物；

(4)将步骤(3)中得到的反应产物用洗涤溶剂进行洗涤，然后抽滤得到沉淀物；

(5)将抽滤后所得的沉淀物干燥；

(6)干燥后冷却至室温，在惰性气体气氛下碳化，得到所述锂离子电池负极材料。

优选地，所述步骤(1)中软膜板剂为可以形成棒状胶束的表面活性剂。