[发明专利]一种三维多孔状硅碳负极材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种三维多孔状硅碳负极材料的制备方法及其应用，包括以下步骤：(1)取纳米硅粉进行羟基化处理；(2)在一定的温度、pH作用下，油浴回流将硅烷偶联剂水解，与纳米硅表面的羟基发生脱水缩合产生联结；(3)所述溶液，离心、干燥，低温烧结；(4)将所述产物加入有机碳溶液、纳米TiO₂球磨处理；(5)所述产物恒温煅烧，得到三维多孔状硅碳负极材料负极材料。本发明的制备方法绿色简便、可控性强、成本低廉，适于工业化批量生产，且制得的锂离子电池负极材料首次充放电效率高、比容量高、循环性能好。

技术领域

本发明涉及电池材料制备领域，尤其涉及一种三维多孔状硅碳负极材料的制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、体积小、功率密度高、无记忆效应、绿色环保和兼容性好等优点，被广泛应用在各类电子产品中。近年来，随着新能源汽车技术的快速发展，激发了人们对高能量密度电池的的探索。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一，目前大规模商业化的石墨类碳负极材料，理论比容量较小(372mAh/g)，极大限制在锂离子动力电池中的应用。在已知的锂离子电池负极材料中，硅具有极高的理论比容量(Li22Si5,4200mAh/g)和适宜的嵌锂电位，且地球储量丰富，近年来受到广泛的关注。但目前Si在作为负极材料的实际应用中，由于其在脱嵌锂的过程中表现出巨大的体积膨胀效应(300％)，导致在循环过程中容量快速的衰减。迄今为止，国内外研究学者对上述问题进行了积极的探索，如传统的碳硅机械复合、掺杂惰性元素、设计核壳结构、空心结构、纳米线、纳米阵列等。但其巨大的体积膨胀效应依然是商业化的制约因素。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种三维多孔状硅碳负极材料负极材料，通过本发明制得的负极材料首次首次放电效率高、比容量高、循环性能好等特点，且工艺绿色简便、可控性强、成本低廉，适于工业化批量生产。

本发明的目的是通过以下技术方实现的，一种三维多孔状硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备羟基化改性纳米硅；

(2)硅烷偶联剂在酸性条件发生水解生成羟基，溶液温度0～30℃，水解时间为1～9h；

(3)纳米Si与水解的硅烷偶联剂混合，在惰性气氛的保护下，油浴回流加热1～12h，使硅烷偶联剂与纳米Si脱水缩合；

(4)将步骤(3)所得的混合溶液进行离心、真空干燥，之后在保护气氛下低温煅烧；

(5)将有机碳、纳米TiO₂与步骤(4)得到的产物混合后，经过低速球磨搅拌，然后将产物水浴蒸干，在氩气保护环境中，恒温煅烧，得到三维多孔状硅碳负极材料负极材料。

进一步，步骤(1)中，纳米Si的粒度为30～200nm；羟基改性溶液为浓硫酸与过氧化氢的混合液，其中两者的体积比为1：1～3：1。

进一步，步骤(2)中，溶液温度范围为0～30℃，溶液pH值范围3～5；调节pH所用试剂为下属物质的一种或几种：冰醋酸、柠檬酸、草酸；所用硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷其中的一种或几种；水解时间为1～9h。

进一步，步骤(3)中，水解的硅烷偶联剂的质量分数为1～20％，油浴回流温度50～85℃，反应时间1～12h。

进一步，步骤(4)中，低温煅烧温度200～300℃，煅烧时间1～5h。