[发明专利]一种双网络水凝胶衍生的Si@C/G纳米多孔复合材料的制备方法及其所得材料和应用

说明书

本发明公开了一种双网络水凝胶衍生的硅/碳纳米多孔复合材料的制备方法及其所得材料和该材料作为锂离子电池负极材料的应用。所述制备方法包括将均匀分散有纳米硅和氧化石墨烯的硼砂水溶液加入到含有壳聚糖的聚乙烯醇水溶液中，形成水凝胶，随后经过冷冻干燥、浸泡洗涤、离心分离，制得双网络原位包封硅的前驱体，最后将其进行热处理，即得所述Si@C/G纳米多孔复合材料；所得复合材料还具有多孔结构，当作为锂离子电池的负极材料时，由于纳米硅有效缩短了离子和电子传输的距离，三维导电碳可以有效缓冲硅材料在充放电过程中脱/嵌锂引起的体积膨胀，因此，所制备的复合材料表现出优异的循环性能以及倍率性能。

技术领域

本发明公开了一种双网络水凝胶衍生的Si@C/G纳米多孔复合材料的制备方法及其所得材料和应用，属于锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池以其比能量大、工作电压高、寿命长以及环境友好等优势广泛应用于便携式移动电子设备市场，并在电动汽车、大规模储能等领域具有广阔的应用前景。然而，随着人们需求的增长，尤其是在近几年快速发展的电动车领域，提高续航里程的迫切要求，促使锂离子电池向着更高能量密度的方向发展。我们知道，锂离子电池的总比容量是由正极材料、负极材料及电池的其它组分决定的，而负极材料的比容量是提高锂离子电池总比容量的关键。

目前，锂离子电池中广泛使用的是石墨类负极材料，因为其具备高的循环效率和良好的循环性能。但石墨类负极材料储锂容量较低(理论比容量为372mAhg^-1)，而且嵌锂电位过于接近金属锂电位，在较高速率充电时有安全隐患，从而成为其在诸如电动汽车、大规模储能等领域应用的瓶颈。因此，提高锂离子电池性能以进一步拓展其应用领域，研制新型、性能优异的高容量负极材料便成为其关键。

硅基负极材料因具有高的理论容量(～4200mAh g^-1)、低的嵌锂电位(～0.5V vsLi⁺/Li)而备受瞩目。但是，硅基材料在应用中仍存在一些问题，如导电性差，以及在脱/嵌锂循环过程中经历的严重的体积膨胀和收缩，导致材料结构破坏和颗粒粉化、脱落，进而导致电极循环性能的严重衰退。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种新颖的制备工艺简单、条件温和、可规模化生产的硅/碳纳米多孔复合材料的方法。

本发明另一目的是提供上述制备方法所制得的双网络水凝胶衍生的Si@C/G纳米多孔复合材料；

本发明还有一目的是提供上述双网络水凝胶衍生的Si@C/G纳米多孔复合材料作为作为锂离子电池负极材料的应用。

技术方案：本发明所述双网络水凝胶衍生的Si@C/G纳米多孔复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将均匀分散有纳米硅和氧化石墨烯的硼砂水溶液加入到含有壳聚糖的聚乙烯醇水溶液中，形成水凝胶，随后经过冷冻干燥、浸泡洗涤、离心分离，制得双网络原位包封硅的前驱体，最后将其进行热处理，即得所述Si@C/G纳米多孔复合材料。

更具体的包括以下步骤：

(1)制备原位包封硅的双网络凝胶前驱体(Si@PVA/GO)

在室温下，将纳米硅粉和固体氧化石墨烯(GO)均匀分散在硼砂水溶液中，形成A液；再将壳聚糖加入聚乙烯醇(PVA)水溶液中，形成B液，然后边搅拌边将A液加入B液中，再搅拌形成水凝胶；室温下静置，随后经过冷冻干燥、浸泡洗涤、离心分离，制得双网络原位包封硅的前驱体(Si@PVA/GO)。

(2)制备Si@C/G纳米多孔复合材料

将步骤(1)得到的前驱体在N₂气氛下以一定的速率升温至高温，并在该温度下热处理一定时间后自然冷却至室温，得到由无定形碳/石墨烯(C/G)原位包封硅的目标产物，即Si@C/G纳米多孔复合材料。