[发明专利]一种银颗粒掺杂的硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种银颗粒掺杂的硅碳复合材料及其制备方法和应用，该方法包括：将Al‑Si合金颗粒分散在HCl水溶液中，分散反应，然后离心，清洗，真空干燥；将氨水加入到AgNO₃水溶液中，制备成银氨溶液，将所得多孔硅结构的粉末、乙醇、银氨溶液以及聚乙烯吡咯烷酮混合反应，最后进行离心，清洗，真空干燥，得到黑色粉末将黑色粉末通过化学气相沉积反应沉积碳层，得到银颗粒掺杂的硅碳复合材料。得到的结构具有高的稳定性及高导电性，不仅能够有效解决硅在充放电过程中的体积变化问题，同时也改善了硅固有的导电性差的问题，利用本发明制备的银掺杂硅碳复合锂离子负极材料制成的电池适用于高能量密度储能器件。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种银颗粒掺杂的硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着以电池技术为主的新型储能技术应用规模急剧上升，锂离子电池扮演着越来越重要的角色。目前商用的锂离子电池以石墨作为负极，已不能满足高能便携式电源、动力电池和储能电站等领域对高能量密度和高功率密度的需求，硅拥有非常高的理论比容量和低的工作电压，已经成为锂离子电池工作者研究的重点。然而，由于体积效应和导电性差的问题，硅基负极迟迟未投入到大规模商业化使用中，硅在嵌锂过程中会产生约300％的体积变化，巨大的体积变化会造成硅电极的粉化剥落，使硅颗粒之间以及硅与集流体之间失去电接触，电极的比容量急剧下降甚至完全失效。

考虑到硅负极存在以上显著的缺陷，人们提出了大量的硅结构来提高硅的性能。硅纳米线，硅纳米管，硅薄膜都在三维方向上抑制硅的膨胀有着显著的效果，有能力承受脱嵌锂过程中反复的体积变化而不产生粉化现象。除了这些结构的硅，在硅负极中同样受到广泛研究的是将硅与各种结构的碳结合。碳的加入可以有效的弥补硅固有的导电性差的问题，进而提高库伦效率。基于这种考虑，人们成功制备出了大量的硅碳复合负极材料，碳层作为保护层和导电层对于提升硅负极锂离子电池的循环稳定性能，倍率性能等电化学性能具有显著的作用。然而，只是在外部提高硅的导电性能具有一定的局限性，要想进一步发挥硅的新性能，内部的导电性也急需改善。

发明内容

本发明提供一种银颗粒掺杂的硅碳复合材料及其制备方法和在制备锂离子电池负极材料和锂离子电池中应用，首先用盐酸溶液酸洗商业化的Al-Si合金制得具有内部孔洞结构的多孔硅，然后通过改性的银镜反应在多孔硅内部制得金属银颗粒，最后以乙炔气体为碳源在掺杂了银颗粒的多孔硅表面包覆一层碳，制得硅碳复合负极材料，并以此为活性物质装配电池。

一种银颗粒掺杂的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Al-Si合金颗粒分散在HCl水溶液中，分散反应，然后离心，清洗，真空干燥，得到多孔硅结构的粉末；

(2)将氨水加入到AgNO₃水溶液中，制备成银氨溶液，将步骤(1)所得多孔硅结构的粉末、乙醇、银氨溶液以及聚乙烯吡咯烷酮混合反应，最后进行离心，清洗，真空干燥，得到黑色粉末；

(3)将步骤(2)所得的黑色粉末通过化学气相沉积反应沉积碳层，得到银颗粒掺杂的硅碳复合材料。

本发明方法，利用HCl水溶液刻蚀Al-Si合金，得到内部具有多孔结构的多孔硅，为脱嵌锂过程中巨大的体积变化提供空间；利用银氨溶液，通过改性的银镜反应在多孔硅内部原位生成具有高导电性的银颗粒，在多孔硅内部构建导电网络结构，提高其内部的导电性；通过化学气相沉积的方式以乙炔为前驱体在多孔硅表面包覆碳层，一方面起到稳定结构，防止体积变化导致结构破坏的作用，另一方面在多孔硅外部构建了导电网络，有利于电子的传输，从而提高电化学性能。用这种方法得到的材料碳含量(质量百分比)20-40％，银含量(质量百分比)3-5％。该方法构思新颖独特，得到的结构具有高的稳定性及高导电性，不仅能够有效解决硅在充放电过程中的体积变化问题，同时也改善了硅固有的导电性差的问题，利用本发明制备的银掺杂硅碳复合锂离子负极材料制成的电池适用于高能量密度储能器件。