[发明专利]硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合结构材料及其制备方法

说明书

本发明公开了硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合结构材料及其制备方法。本发明制备方法包括以下步骤：量取体积比为8:2的DMF和蒸馏水，混合后作为混合溶剂；加入纳米硅，超声振荡0.5h得到纳米硅悬浮液；向悬浮液中加入醋酸钠和四水氯化亚铁，在90℃温度下水浴2‑5h后冷却至室温；用无水乙醇和蒸馏水依次离心清洗各3次，在80℃干燥箱烘干，后加入Tris缓冲液，超声振荡0.5h，再加入多巴胺，常温搅拌24h，取出，用无水乙醇和蒸馏水依次离心清洗各3次，在干燥箱中80℃烘干，后置于管式炉中，氮氢混合气下800℃加热3h，得到硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别地涉及一种硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合结构材料及其制备方法。

背景技术

新能源汽车发展迅速，但制约其发展的还是锂离子电池的容量和成本。其中硅负极材料的研究有望实现容量高，成本低的锂离子电池。硅是地球上最多的元素，而且硅的比容量可达4200mAh/g，是目前研究发现的最高的锂离子电池负极材料。由于其比容量高、资源丰富、价格低廉和环境友好等特点，在锂电池领域有较多的研究和广泛的应用。

但硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是320％。所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300％。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。目前的研究主要采用以下方法解决体积效应：一是将硅材料纳米化；二是制备特殊结构，如核壳状和多孔状；三是通过与金属和碳型材料复合形成复合材料。在核壳结构中，目前主要的方法是在纳米硅表面直接包碳处理，然而，这种方法没有提供硅的膨胀空间，硅的膨胀很容易导致碳膜的破裂。

针对以上核壳结构的不足，本发明在纳米硅表面先制备了氧化铁薄膜后再进行包碳的处理，这种多层包覆的纳米硅结构可以更好的缓冲硅在充放电过程中导致的体积膨胀，提升复合材料的充放电循环稳定性。

发明内容

为解决碳直接包覆纳米硅的碳膜易破裂问题，本发明的目的是在纳米硅表面先制备氧化铁薄膜，然后再进行包碳处理，使硅和氧化铁之间形成一层硅铁氧化物，该种方法可以有效地抑制硅充放电时的体积膨胀，能够获得较高的循环稳定性能。该发明实施步骤简单，适合大规模工业化生产。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合结构材料的结构是在纳米硅的表面依次包裹一层硅铁氧化物、氧化铁和碳层形成核壳复合结构。

硅/硅铁氧化物/氧化铁/碳的核壳复合结构材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，量取体积比为8:2的DMF和蒸馏水，混合后作为混合溶剂，其中，两者体积和作为混合溶剂的体积，加入纳米硅，纳米硅的质量浓度是0.5-1mg/mL超声振荡0.5h，得到纳米硅悬浮液；

步骤二，向步骤一得到的纳米硅悬浮液中加入醋酸钠和四水氯化铁，其中，醋酸钠的质量浓度是20mg/mL，四水氯化铁的质量浓度是10mg/mL-12mg/mL，常温搅拌10分钟，后在90℃温度下水浴2-5h后冷却至室温；

步骤三，取出步骤二得到的产物，用酒精离心清洗3次，再用蒸馏水离心清洗3次，在干燥箱中80℃干燥24h，得到氧化铁包覆纳米硅复合材料；

步骤四，取干燥的氧化铁包覆纳米硅复合材料，加入Tris缓冲液，其中，若干燥的氧化铁包覆纳米硅复合材料的质量为S g，则Tris缓冲液的体积为S/2mL，混合后超声振荡0.5h，再加入多巴胺，使多巴胺与氧化铁包覆纳米硅复合材料的质量比为1:1，常温搅拌24h；