[发明专利]锂离子电池二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料的制备

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料和电化学技术领域，具体是涉及一种制备锂离子电池二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料的方法。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是从事一切经济活动的原动力，也是现代社会经济发展水平的重要标志。锂离子电池作为新型绿色化学电源，由于具有高充放电电压、高比能量、长寿命、低消耗、无公害、无记忆效应以及自放电小、内阻小、污染少等优点，是目前应用范围最广且最有可能大规模应用于电子产品的二次电池。作为锂离子电池中的负极材料，其电化学性能的好坏不仅直接影响电池性能，而且对降低电池成本、实现电动汽车产业化，环境友好方面都具有十分重要的现实意义。

气凝胶是由超细微粒聚结构成的轻质多孔性纳米结构材料，具有连续的三维网络结构。1931年美国斯坦福大学的Kistler通过水解水玻璃的方法制得了二氧化硅气凝胶，但由于这种方法的制备工艺复杂和产品杂质多而未得到发展。直到20世纪80年代以后，随着溶胶－凝胶研究方法的深入开展和干燥技术的逐步完善，气凝胶的固体微粒更细化，微孔分布更均匀，从而使气凝胶材料的密度更低，孔隙率更高，而强度显著提高，其特有的纳米尺寸颗粒与纳米孔洞结构使它拥有许多独特的性质。气凝胶具有较好的机械性能，可以承受相当于自身质量几千倍的压力，因而其在耐高温隔热材料、高效高能电极、声阻抗藕合材料、气体吸附和分离膜、高效催化剂及其载体等方面有了广泛的用途。

二氧化硅气凝胶能够作为锂离子电池的负极材料，具有比石墨负极更高的充放电比容量。然而在循环过程中二氧化硅气凝胶体积改变引起其有序的网络结构稳定性降低，导致容量衰减过快的问题是限制其应用的主要瓶颈。通过对二氧化硅气凝胶进行碳包覆工艺，得到的锂离子电池二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料具有很高的孔隙率和很好的机械性能，缓解了循环过程中电极材料的体积变化，同时二氧化硅气凝胶表面的纳米碳层能够对循环过程中体积的改变起到一定的抑制作用和改善其电子传输性能，最终得到具有高的充放电比容量和较好的循环稳定性的锂离子电池新型负极材料，即二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料。

发明内容

本发明提供了一种二氧化硅/碳纳米复合气凝胶的制备方法，同时把这种新型的二氧化硅/碳纳米复合气凝胶应用到高比容量和优良循环稳定性的锂离子电池负极材料中。主要目的在于通过调节二氧化硅气凝胶和碳的质量比以及控制碳在二氧化硅表面的均匀包覆程度，得到一种新型高性能的锂离子电池复合气凝胶负极材料。

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

首先通过传统的溶胶-凝胶法制备得到二氧化硅气凝胶，具体的技术方案如下：

（1）以正硅酸乙酯为原料，按照一定的摩尔比加入水和乙醇，将三者的混合溶液恒温（24⁰C）搅拌若干小时，得到混合均匀的澄清溶液；

（2）选择适当的酸溶液调节混合溶液的PH为3-4，后将混合溶液在室温下静止若干天，使正硅酸乙酯充分水解；

（3）在不断搅拌下缓慢加入碱溶液控制PH得到二氧化硅水溶胶，将得到的二氧化硅水溶胶在室温下静置至生成凝胶；

（4）将凝胶在一定温度和溶剂下老化若干天，将老化完毕的凝胶放入正己烷中浸泡，72h内将溶剂更换三次，以除去湿凝胶中的水和乙醇；

（5）后将残留的溶剂除去后进行超临界流体干燥，得到二氧化硅气凝胶。

通过高温烧结在二氧化硅气凝胶表面包覆均匀的碳层，具体的技术方案如下：

（1）选择合适的有机碳源，按一定的二氧化硅气凝胶和有机碳源的质量比将两者混合均匀；

（2）在上述混合物中加入丙酮，在球磨机中将二氧化硅气凝胶和有机碳源的混合物进行球磨30min，将得到的悬浊液除去丙酮，70⁰C干燥12h得到均匀分散的混合物；

（3）将得到的混合物在程序控温管式炉内氩气保护下350⁰C预烧12h，待材料完全分解，冷却后充分研磨，后在740⁰C下煅烧24h,升温速率为1⁰C/min，缓慢降至室温得到二氧化硅/碳纳米复合气凝胶。

锂离子电池二氧化硅/碳纳米复合气凝胶负极材料的制备以及扣式电池的组装：

（1）按照一定的二氧化硅/碳复合气凝胶材料：乙炔黑：聚偏氟乙烯质量比准确称取样品，倒入玛瑙研钵中充分研碎，将研磨均匀的粉末倒入预先加入N-甲基吡咯烷酮和聚偏氟乙烯的称量瓶中，加入磁子在恒温加热磁力搅拌器中搅拌24h制成浆料；