[发明专利]一种碳包覆硅量子点复合锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种碳包覆硅量子点复合锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法将一氧化硅固体在惰性气体保护下气化，同时通入还原性气体，冷凝，得到硅量子点；将硅量子点分散在阳离子表面活性剂的水溶液中，超声处理，固液分离，得到表面修饰的硅量子点；将得到的表面修饰的硅量子点与碳源和水混合，水热反应，固液分离，在惰性气体保护下对得到的固体进行碳化，得到碳包覆硅量子点复合材料。所述制备方法制备得到的负极材料的比容量大，且可以有效改善硅基锂离子电池循环稳定性差的问题，工艺简单，成本低，可进行工业化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种碳包覆硅量子点复合锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

作为一种重要的化学电源，锂离子电池由于具有长循环寿命、高能量密度、高功率密度等优点，已经广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子产品中并将逐步应用到电动汽车、潜艇、航空、航天等动力领域，且会进一步取代目前对环境产生影响的铅酸电池和镉镍电池。

目前，已经投入生产使用的锂离子电池负极材料主要是碳材料，其理论比容量较低，约为372mA·h·g^-1，不能够满足现代社会日益增长的能源需求，尤其是对于电动汽车和网格储能的间歇性电源。

硅的理论比容量为4200mA·h·g^-1，是石墨理论比容量的10倍还多，是作为锂离子电池负极材料最有前景的材料之一。此外，硅在地壳中含量丰富，且脱嵌锂电压低，对环境友好。但是硅基材料在锂离子嵌入和脱出的过程会发生巨大的体积变化(>300％)，导致硅颗粒粉化，材料结构被破坏，活性物质从集流体上脱落，失去电接触，经多次充放电循环后电池的容量快速衰减，寿命缩短，阻碍了其实际应用。

根据对硅基负极材料研究的考察，我们发现制备硅/碳复合材料可有效解决上述问题。硅和碳的嵌锂电位相似，硅/碳复合材料是综合利用了硅和碳各自的优点，避免各自的不足。碳材料本身就是电子和离子的混合导体，且在嵌锂过程中的体积效应小，在硅基负极材料的制备中经常被用作基体，以缓解硅的体积形变，提高其电化学储锂性能。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供一种碳包覆硅量子点复合锂离子电池负极材料的制备方法，所述制备方法制备得到的负极材料的比容量大，且可以有效改善硅基锂离子电池循环稳定性差的问题，工艺简单，成本低，可进行工业化生产。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种碳包覆硅量子点复合锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将一氧化硅固体在惰性气体保护下气化，同时通入还原性气体，冷凝，得到硅量子点；

(2)将步骤(1)得到的硅量子点分散在阳离子表面活性剂的水溶液中，超声处理，固液分离，得到表面修饰的硅量子点；

(3)将步骤(2)得到的表面修饰的硅量子点与碳源和水混合，水热反应，固液分离，在惰性气体保护下对得到的固体进行碳化，得到碳包覆硅量子点复合材料。

本发明采用碳包覆的方式，将硅量子点限制在有限的活动范围内，在保证了比容量的情况下，对与锂离子结合的硅量子点充分起到了限域的作用，减少了与锂离子结合后硅的体积效应，提高了负极材料的循环能力。

本文采用阳离子表面活性剂对硅量子点的表面进行修饰，使硅量子点表面电子更加集中，进而使硅量子点表面正负电荷交错，且正电荷围绕负电荷，这样不仅使硅量子点更易于被带有极性的碳源包覆，同时更易于与锂离子结合，提高负极材料的比容量。

本发明在碳化前，先进行了一步水热反应，使碳源充分包覆在硅量子点周围，提高碳的包覆率，同时使硅量子点排列更紧密，在单位体积内可容纳更多的锂离子。