[发明专利]一种介孔硅‑铜复合物电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高容量、长寿命、低成本的介孔硅-铜复合物电极材料及其制备方法，属于电池材料制造的技术领域。

背景技术

锂离子电池的优越性能使其在便携式电子设备、电动汽车、航空航天等方面都有广阔的应用前景。

目前商用的负极材料仍以石墨碳素类的碳材料为主，其最大理论比容量只有372mAh/g，制约了锂电池容量的进一步提高。硅被认为是最有希望的电极材料，其理论容量高达4200mAh/g(Li_4.4Si合金)，约为碳素负极材料理论比容量的10倍，将其用作锂离子电池的负极能大幅提升电池的容量。此外，硅电极的锂化平台电压比石墨电极的平台电压高，能有效避免枝晶的形成，提升锂离子电池的安全性。但是，以往的研究表明，硅基电极在充放电循环过程中，即在锂离子嵌入、脱出电极的过程中，会导致硅电极体积的巨大变化(>300％)，导致硅材料结构的崩塌和电极的剥落、粉化、电导率的下降，进而导致电池容量锐减。

近年来，通过镁热还原介孔二氧化硅合成多孔硅的方法开始受到广泛关注，采用这种方法制备的多孔硅的孔道结构，可以为硅在嵌锂/脱锂过程的体积变化提供缓冲空间，抵消部分内应力，具有较好的循环稳定性。但单纯的多孔硅的导电性较差，高倍率放电能力差，且多次循环后容量衰退仍较为严重。因而，将惰性金属与硅复合联合改性，成为进一步提升硅基电极循环稳定性、倍率性能的新途径。

发明内容

技术问题：为提升硅电极的导电性、进一步延缓电极粉化、开裂的发生，本发明制备了一种介孔硅-铜复合物电极材料，利用金属铜电子导电率高、延展性好、惰性不储锂等优点，利用浸渍-氢还原法在介孔硅表面修饰铜颗粒，其可逆容量高、循环稳定性好、倍率性能好、可规模化生产。本发明的另一个目的是提供所述介孔硅-铜复合物的制备方法及应用。

技术方案：本发明的一种介孔硅-铜复合物电极材料具有10-100nm的孔道结构，比表面积为60-300m²/g，铜的质量分数为15-75％。

本发明的介孔硅-铜复合物电极材料的制备方法是利用CuCl₂溶液对介孔硅进行浸渍后，采用氢还原的方法制备出介孔硅-铜复合物电极材料。

所述CuCl₂溶液浸渍时，CuCl₂浸渍液溶度为0.5-5mol/L；浸渍时间为0.5-5h。

所述采用氢还原的方法氢还原时，氢气的体积流量为5-50sccm，氩气的体积流量为5-50sccm，氢还原温度大于200℃，升温速率为0.5-10℃/min。

本发明的介孔硅-铜复合物电极材料应用在锂离子电池负极中。

有益效果：本发明提供的介孔硅-铜复合物电极材料能量密度高，可逆容量高、循环稳定性好、高倍率放电能力好。

以往的研究表明：硅材料具有较高的理论电化学容量，商品硅粉的首次放电容量可达3000mAh/g以上，但是由于在嵌锂和脱锂过程中，伴随着巨大的体积变化，造成材料粉化，与集流体失去电接触后使得容量急剧下降。而本发明利用介孔硅内部交错联通、均匀的孔道结构，缓冲硅材料在嵌锂过程中的体积变化，抵消部分内应力；同时，在介孔硅表面修饰铜颗粒，为硅材料在脱锂过程中的收缩提供有效支撑，两方面抑制硅材料的粉化，提升硅基电极的循环稳定性。另一方面，铜颗粒的导电性较好，为电子提供了更多导电通路，且铜颗粒能阻碍纳米硅颗粒的聚集，综合提升硅材料的导电性，进而降低电子转移阻抗、提升硅基电极的高倍率放电能力。本发明中所制备的介孔硅-铜复合物电极的循环容量保持率较商品硅粉和单纯介孔硅均有有显著提高，且大电流放电时容量下降较小，平台效应不明显，倍率放电结束后容量损失率小。

附图说明

图1为浸渍-氢还原法制备的介孔硅-铜复合物(100g/L)的透射电镜图片；

图2为浸渍-氢还原法制备的介孔硅-铜复合物和单纯介孔硅的倍率性能性对比；

图3为浸渍-氢还原法制备的介孔硅-铜复合物和单纯介孔硅的电化学循环稳定性对比；

图4为浸渍-氢还原法制备的不同比例介孔硅-铜复合物的XRD图。

具体实施方式

本发明所述的介孔硅-铜复合物电极材料，所述的介孔硅-铜复合物电极材料具有10-100nm的孔道结构，比表面积为60-300m²/g，铜的质量分数为15-75％。