[发明专利]容量可控型硅基锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种容量可控型硅基锂离子电池负极材料及其制备方法。该负极材料是一种具有多孔类石榴结构的Si/SiOx/C复合材料（1≤x≤2），以相互连接的多孔C和SiOx为骨架，Si分布在其中的多孔结构。这种复合材料在电流密度0.1A/g下，容量可以达到600mAh/g以上，循环100周后容量保持不变；在大电流密度2 A/g下充放电循环2000次后，比容量依然保持在390mA/g左右，形貌保持完整。该结果证明：通过控制硅基材料的容量及结构设计完全可以实现长循环寿命的性能指标。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池容量可调控型硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

当前商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨，石墨的实际比容量已经很接近其理论比容量（372mAh/g），随着社会的发展，石墨的比容量在许多方面已经很难满足现实的需求，如在电动车、航空航天和尖端的医疗电子等领域。因此，寻求更高比容量，长循环寿命，安全又廉价的负极材料越来越受人们的关注和重视。

在许多负极材料之中，硅基材料由于拥有非常高的理论比容量，高达4200mAh/g，将近石墨理论比容量的11.3倍之高，另外，硅基材料还具有储量丰富、来源广泛、绿色环保等优点，成为取代商业化石墨最有希望的材料之一。但是硅材料在充放电过程中，由于体积的变化导致材料破碎和其容量的迅速衰减，影响了其在锂离子电池中的实际应用。研究者们采取了许多方法来解决这一难题，例如，把硅基材料做成纳米尺度大小，减小硅膨胀的应力；在硅材料表面包覆一层导电物质，抑制硅的膨胀同时增强硅的导电性；把硅基材料设计成多孔结构，为硅的体积膨胀提供空间等设计思路和制备方法上都取得了不小的进展。但硅基负极的容量衰减仍然是其产业化推进的关键问题。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术中存在的问题，提供一种容量可控型硅基锂离子电池负极材料。

本发明的目的之二在于提供该负极材料的制备方法，该方法制备的多孔硅基复合负极材料，可根据需要控制容量与体积膨胀，达到长期循环稳定性，对规模化生产有指导意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种容量可控型硅基锂离子电池负极材料，其特征在于该材料是以相互连接的多孔C和SiO₂为骨架，Si均匀分布在其中的石榴状多孔结构的SiO₂/C复合材料，形成SiO_X/C，其中1≤x≤2， SiO_x和C的质量比为：40~90：60~10。

一种制备上述的量可控型硅基锂离子电池负极材料的方法,其特征在于, 该方法具有如下步骤：

(1).将二氧化硅纳米颗粒和含氨基聚单体按 1：0.2~3的质量比分散在pH= 6-7的水溶液中，搅拌均匀后，缓慢加入过硫酸铵溶液，其中过硫酸铵的质量为含氨基聚单体质量的1～3倍，搅拌下进行聚合反应至过硫酸铵水溶液滴加完成，停止搅拌，冰浴12～36h，过滤、去离子水洗涤至溶液pH值为6～7，干燥，得到自组装硅基负极材料前驱体；

(2). 将步骤(1)得到的自组装硅基负极材料前驱体在惰性气体保护下，加热至600～900℃烧结2～10h，得到碳复合二氧化硅；

(3). 将步骤(2)得到的碳复合二氧化硅和镁粉按质量比为1:1，在含有体积百分比含量为5%的H₂的惰性还原气氛下，加热至650～800℃烧结0.5～12h，用酸除去生成的氧化镁或未反应的镁粉，再过滤、用去离子水洗涤至溶液pH值为6～7，烘干，得到容量可控型硅基锂离子电池负极材料。

上述的含氨基单体为苯胺、对苯胺或三聚氰胺。

上述的纳米二氧化硅是粒径为7nm～40nm。

上述的酸为盐酸、硫酸、硝酸或磷酸。