[发明专利]一种锂离子电池纳米级硅负极的制备方法

说明书

一种锂离子电池纳米级硅负极的制备方法，涉及锂离子电池。所述锂离子电池纳米级硅负极为一种硅@空洞@碳结构硅负极，通过表面修饰，在硅球表面接枝引发剂，得接枝引发剂的硅球；将得到的接枝引发剂的硅球通过活性自由基聚合接枝可完全热分解的聚合物作为媒介层；在所得样品表层包覆碳包覆层作为碳层的先驱体；将所得的样品经空气氛中氧化交联和惰性气氛下热解，媒介层完全分解得到硅膨胀的空洞空间，碳层先驱体热解炭化得到壳层碳，得锂离子电池纳米级硅负极。与可控性较强的活性自由基聚合方法有效地结合起来。可调控运用不同的碳源。操作可控性强，可有效调节硅球膨胀的空间，以及碳层厚度。操作过程易行，危险小，易放大。

技术领域

本发明涉及锂离子电池，尤其是涉及一种锂离子电池纳米级硅负极的制备方法。

背景技术

随着科技和经济的发展，高性能电子设备，电动汽车等层出不穷，而市场上通常用的石墨负极锂离子电池(理论容量370mA·h/g)并不能满足高容量，低循环损耗的要求。因此要设计出性能更为优越的电极活性材料，比如：Si,Ge,SnO₂,SiOC等。在不断的研究中发现Si的理论容量非常高，大约是石墨的10倍(在与Li形成合金Li₁₅Si₄时容量为3579mA·h/g)，且有较低的锂化/去锂化电势，因此引起了界内广泛关注。但是Si在锂化过程中会产生极大的体积膨胀，大约为300％，因此在不断的锂化/去锂化的过程中，Si的体积会不断地膨胀/缩小，在缩小过程中作为活性材料的Si就会断裂，粉碎，而首次循环时在硅表面形成的固体电解液膜(SEI)就会不断地产生，导致电极的循环性能急剧下降，库伦效率(CE)也不会太高。因此，要想把硅运用到电池，就必须解决这些问题。

把硅设计为纳米级材料是一个很好地出路，比如硅纳米管、硅纳米棒、硅纳米颗粒等，都能使硅电极的循环性能得到很好地提升(Yi Cui.Nanomaterials forelectrochemical energy storage[J].Frontiersof Physics,2014,9:323-350)。但是由于硅暴漏在电解液中会形成不可逆的容量损失，性能并不会提高太多，因此需要在外边包一层负极材料，其能够形成比较薄并且比较稳定的SEI膜，例如C、石墨烯、金属等。为了给予硅以足够的空间让其膨胀，一般设计为核@空洞@壳、多孔、松散骨架结构(如海绵)、良好弹性的聚合物等。崔屹等(Yi Cui.Silicon-Carbon Nanotube Coaxial Sponge as Li-IonAnodes with High Areal Capacity[J].Advanced Energy Materials,2014,9(3):323-350)由CVD法制作碳纳米管海绵，并在上边沉积无定型硅制得的阳极在第一次充/放电的容量达到3200和2750mA·h/g，库伦效率为86％，比面积容量高达40mA·h/cm²，并在50圈内没有大量容量损耗。