[发明专利]一种高性能硅碳复合纳米空心球负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能硅碳复合纳米空心球负极材料的制备方法。以酚类、醛类及正硅酸酯类有机物为原料，在碱性催化剂与表面活性剂的作用下，通过微波法制备得到酚醛树脂与二氧化硅复合物，之后通过高温碳化与热还原处理便得到硅碳复合纳米空心球。本发明制备方法工艺简单、操作方便、原料易得、成本低廉，利于工业化生产，且制备的材料尺寸和形貌均一，具有丰富的介孔结构，可以同时实现缩短离子传输距离、提高材料的离子扩散速率、改善材料的导电性等，使得材料具有稳定的循环与倍率性能，在锂离子电池负极方面具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明具体涉及一种高性能硅碳复合纳米空心球负极材料的制备方法，属于新能源材料 的制备技术领域。

背景技术

长寿命、高能量密度的锂离子电池在便携式电子设备、电动车及可再生能源存储系统等 技术领域变得越来越重要。目前商业化的锂离子电池负极主要为石墨，但其理论比容量仅为 372mAh g^-1，硅可以与锂反应形成Li₂₂Si₅得到4200mAh g^-1的理论比容量，比商业的石墨负 极高10倍以上，从而成为最富前景的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅负极充放电循环 过程中巨大的体积改变，使得硅颗粒破裂粉碎、颗粒间电接触降低及硅表面上固体电解质界 面膜的持续形成，导致了其相当差的循环稳定性，严重阻碍了硅材料的实际应用。

为了改善硅负极的结构稳定性和电化学稳定性，主要采取两种方法：一是设计硅纳米结 构，如硅纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米空心球等等，特别是具有足够缓冲空间的硅纳米 空心球，可以缓冲充放电的过程中巨大的体积膨胀，另外，空心球的薄壁可以有效地降低锂 离子的扩散距离；另一种有效的方法是采用硅与体积效应小且导电性好的材料进行复合，其 中研究最广泛的为硅碳复合材料，因为碳材料具有良好的电子导电性、离子导电性及机械性 能，复合后不但可以提高导电性，还能在电极表面形成稳定的固体电解质界面膜，从而改善 硅基材料的电化学性能。然而，目前制备硅碳复合纳米材料的方法主要包括化学气相沉积法、 热气相沉积法、高温裂解等，这些制备过程工艺复杂、成本较高，不利于大规模的工业生产。 因此，探索一种简单可行且成本较低的高性能硅碳复合纳米空心球的制备方法具有重要的现 实意义。

本发明通过采用微波辅助制备硅碳复合纳米空心球有效解决了上述问题，所得到的硅碳 复合空心球形貌与尺寸均匀，分散性好，具有丰富的介孔结构。该方法操作工艺简单，成本 较低，适合工业化生产。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种工艺简单、成本低廉的 制备高性能硅碳复合纳米空心球负极材料的方法，该方法通过合成尺寸形貌均一且结晶度高 的纳米空心球复合材料，有效缩短离子传输距离、提高材料的导电性与离子扩散速率，以满 足当前对锂离子电池硅负极材料的需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高性能硅碳复合纳米空心球负极材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)将0.5～5g的酚类有机物溶于一定体积比的水和短链醇的混合溶剂中，磁力搅拌 30分钟形成澄清溶液后，加入0.5～10mL的碱性催化剂，继续搅拌30分钟。

(2)向步骤(1)的溶液中加入1～10g表面活性剂，搅拌一定时间使其充分溶解后，按顺序加入0.5～8mL的醛类有机物及2～50mL的正硅酸酯类物质，搅拌5～48小时。

(3)将步骤(2)所得的溶液转移到三口烧瓶中，利用微波加热器，在50～150℃下处理5～60分钟，反应结束后冷却至室温后，离心洗涤干燥后得到酚醛树脂与氧化硅复合物。

(4)将步骤(3)所得的复合物放入高温管式炉中，在惰性气氛下300～1000℃热处理 0.5～24小时，自然冷却至室温后得到氧化硅与碳复合产物。