[发明专利]一种纳米硅碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体是一种纳米硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

随着社会和科技的发展，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求，而电极材料在电池性能改进中起着关键性作用。当前，商业化的锂离子电池普遍采用石墨类碳材料作为阳极材料，由于该电极本身较低的理论电化学容量(理论容量372m Ah/g)限制，通过改进电池制备工艺来提高电池性能已难以取得突破性进展，新型高比容量的锂离子电池电极材料的开发极具迫切性。Si、Sn和Sb等金属是人们研究比较多的高容量阳极材料，其中硅具有比目前广泛使用的碳材料高10倍多的理论电化学容量(理论容量4200m Ah/g)，低的嵌锂电压(低于0.5V)，嵌入过程中不存在溶剂分子的共嵌入，在地壳中含量丰富等优点而成为下一代高比能动力电池优选负极之一。但由于硅材料本身导电性能差，加之在电化学嵌脱锂时产生的严重体积效应(体积变化率：280％～310％)，造成材料结构的破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使电极的循环性能急剧下降。

目前人们提出解决这一问题的办法主要有两种：方法之一就是将硅纳米化。因为随着颗粒的减小，在一定程度上能够降低硅的体积变化，减小电极内部应力。但纳米材料在循环过程中易团聚，不足以使电池的性能改善到实用化。第二，采用纳米硅碳复合材料，即将具有电化学活性的纳米硅或硅合金材料嵌入或负载到碳材料中，碳材料一方面可以改善活性硅材料的导电性，另一方面碳材料可以作为“缓冲骨架”来分散和缓冲硅材料在充放电过程中由于体积变化所造成的电极内部应力，使纳米硅碳复合材料具有好的循环稳定性。

随着科技的发展，市场对纳米硅碳复合材料提出了越来越高的性能需求，现有的纳米硅碳复合材料在容量及循环性能方面逐渐无法满足市场需求。研发容量更高、循环性能更优异的纳米硅碳复合材料将具有重要的市场价值和社会价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米硅碳复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种纳米硅碳复合材料，由以下按照重量份的原料制成：纳米硅粉65-70份、石墨100-110份、甲基硅酸钠6-10份、四丁基溴化铵3-5份、三苯基膦氯化铑18-22份、二丙二醇二甲醚210-230份、马来酰亚胺30-35份、聚乙烯吡咯烷酮23-27份。

作为本发明进一步的方案：由以下按照重量份的原料制成：纳米硅粉66-69份、石墨102-108份、甲基硅酸钠7-9份、四丁基溴化铵3.5-4.5份、三苯基膦氯化铑19-21份、二丙二醇二甲醚215-225份、马来酰亚胺31-34份、聚乙烯吡咯烷酮24-26份。

作为本发明再进一步的方案：由以下按照重量份的原料制成：纳米硅粉67份、石墨105份、甲基硅酸钠8份、四丁基溴化铵4份、三苯基膦氯化铑20份、二丙二醇二甲醚220份、马来酰亚胺33份、聚乙烯吡咯烷酮25份。

所述纳米硅碳复合材料的制备方法，步骤如下：

1)称取石墨和三苯基膦氯化铑，合并后，以乙醇作为研磨液，球磨混合2-3h，获得混合物A；

2)将混合物A投入至浓硫酸和浓硝酸的混合酸液中，在50-55℃、150-200rpm的条件下搅拌处理1-2h，然后超声波处理40-45min，然后在75-80℃下回收乙醇，获得混合物B；

3)将混合物B进行离心分离，并对获取的固体物质水洗3-4次，在80-90℃下进行烘干，获得混合物C；

4)称取纳米硅粉、四丁基溴化铵、二丙二醇二甲醚和聚乙烯吡咯烷酮，合并后，加入混合物C，球磨混合3-4h，然后超声波处理1-2h，获得混合物D；

5)将混合物D进行离心分离，并将获取的固体物质在100-110℃下进行烘干，获得混合物E；

6)称取甲基硅酸钠和马来酰亚胺，合并后，加入混合物E，再加入混合物E总质量35-40％的去离子水，然后一起投入至超剪切分散机中，处理1-2h，获得混合物F；

7)将混合物F进行真空旋蒸，然后在100-110℃下进行烘干，获得混合物G；

8)将混合物G投入至微波处理器中，在2460-2480Mhz的频率下处理8-10min，然后加入5-8倍重量的去离子水，超声波处理40min，静置24h，离心分离，并对获取的固体物质水洗3-4次，在80-90℃下进行烘干，即可。

作为本发明再进一步的方案：步骤1)中，所述乙醇的用量为石墨和三苯基膦氯化铑总重量的2-3倍。