[发明专利]一种含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料及其制备方法和应用。本发明材料由硅纳米粒子、银纳米棒粒子分布在连续碳基质内，银纳米棒长度尺寸范围在10～100nm，直径范围在1～10nm。含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料在锂离子电池负极材料方面的应用。本发明得到的硅银碳纳米杂化材料的特色在于：1)制备过程中没有用到任何溶剂，实验结束后无需溶剂后处理。2)热解树脂可以得到连续的碳基质，比单个碳包覆更有利于形成连续的导电网络。3)得到的硅银碳纳米杂化材料中含有银纳米棒，进一步增强了碳基质的导电性。

技术领域

本发明属于高分子无机纳米杂化材料领域，涉及含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料及其制备方法，以及该材料在锂离子电池负极中的应用。

背景技术

目前商业化锂离子电池负极材料石墨的理论比容量为372mAhg^-1，作为石墨负极的可替代材料，硅的理论比容量为4200mAhg^-1，且储量丰富，环境友好。因而被视为最有潜力的下一代锂离子电池负极材料。但硅材料自身的缺陷限制了它的应用。首先，导电性差，在充放电过程中难以形成良好的导电网络，不利于锂离子快速嵌入和脱出，因而表现出较差的倍率性能。其次，在充放电的过程中，硅具有严重的体积效应：充放电过程中出现300％体积变化，因此容易导致材料的粉化脱落，因此表现出较差的循环性能。再次，硅的破碎会导致负极表面难以形成稳定的SEI膜，最终加快容量的衰减。

针对硅基负极材料的改性，科研工作者主要从三方面着手：纳米化，复合化以及结构设计。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料，由硅纳米粒子、银纳米棒粒子分布在连续碳基质内，银纳米棒长度尺寸范围在10～100nm，直径范围在1～10nm。

采用绿色简便方法得到了含有连续的碳基质，银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料，并对其锂电性能进行了测试，测试结果表明，银纳米棒和连续碳基质的存在有效抑制了硅基负极的容量衰减。倍率性能和循环性能均得到大幅度改善。

本发明的另一个目的是提供上述含有银纳米棒的硅银碳纳米杂化材料的制备方法。

该方法的具体步骤是：

步骤(1)、将银盐、形貌调控剂、环氧树脂固化剂按一定比例混合，在60～100℃下搅拌20～50分钟；其中银盐与形貌调控剂的质量比为1～5：1，银盐与环氧树脂固化剂的质量比为0.1～3：1。

所述的银盐为醋酸银、氯酸银、氟化银、高氯酸银等银盐中的一种或者几种；

所述的形貌调控剂为抗坏血酸、谷氨酸、天冬氨酸、线性聚乙烯亚胺、亚氨基二乙酸、琥珀酸、丁二酸、乙二胺四乙酸二钠中的一种或几种；

所述的环氧树脂固化剂为聚醚胺D400、聚醚胺D230、乙二胺、二乙烯三胺、异氟尔酮二胺等多元胺中的一种或者几种；

步骤(2)、将硅纳米粒子加入到环氧树脂单体中，然后与步骤(1)得到的混合物混合并搅拌5～20分钟，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行固化；其中硅纳米粒子与环氧树脂单体的质量比为0.01～0.2：1；

所述的硅纳米粒子尺寸为10～700nm；

所述的环氧树脂单体为E40-环氧树脂，E42-环氧树脂，E44-环氧树脂，E51-环氧树脂等树脂中的一种或者多种；环氧树脂用量依据多元胺用量以及环氧树脂环氧值计算确定；

所述的固化条件：温度范围为500～800℃,固化时间为2～4h；

步骤(3)、将步骤(2)所得固体放在刚玉坩埚中，于管式炉内在惰性气体气氛下煅烧，得到硅银碳纳米杂化粉体；

惰性气体气氛为氩气、氮气、氩气/氢气、氮气/氢气中的一种；