[发明专利]一种SiO2

说明书

本发明公开了一种SiO₂/CoO/石墨烯复合负极材料及其制备方法，采用层层组装的方式将钴基材料和石墨烯依次修饰在二氧化硅颗粒表面，利用钴基材料和石墨烯材料的优异特性对SiO₂颗粒进行改性；通过采用两步溶剂热法得到的前驱体材料中，具有片状结构的钴基材料分布得更均匀，与SiO₂黏结地更紧密，并且SiO₂/CoO‑2/GS复合材料中，石墨烯形成三维多孔网络结构，SiO₂/CoO‑2颗粒均匀分散且大部分被包覆于石墨烯的导电网络中，阻抗测试结果显示，SiO₂/CoO‑2/GS复合材料具有较小的容抗与欧姆阻抗。优异的结构特性使得该材料展现出优异的电化学性能，在电流密度为200mA/g时，首次放电比容量高达1568.5mAh/g，第二次循环开始便不再有容量衰减，经过10次循环后，比容量仍然在801mAh/g。

技术领域

本发明涉及电化学能源材料技术领域，具体涉及一种SiO₂/CoO/石墨烯复合负极材料及其制备方法。

背景技术

化石能源日益稀缺的危机已经引起了人们对可再生能源和储能技术的广泛关注。基于锂离子电池在能量储存方面的出色表现，被认为是最具特色的电化学储能系统之一。电极材料是确定锂离子电池电化学性能的最关键材料。其中，负极材料是影响锂离子电池性能的决定性因素之一，目前，研究和应用最为广泛的锂离子电池负极材料主要有碳素类材料、合金类材料、过渡金属氧化物材料等等。而这三类材料由于其低比容量，循环性差，安全性低等问题，已不能满足当代社会大型电子设备的需要。因此，需要研发更高要求的锂离子电池负极材料。

硅及硅基材料相对于其他材料具有原材料丰富、理论比容量高等优势，被认为是最理想的负极材料。其中，硅的理论比容量为4200 mAh/g，是所有已知负极材料中最高的，是石墨比容量的10倍还多，被美国能源部定义为可取代石墨的第二代锂离子电池负极材料。硅基材料的电压平台大约为0.8 V，高于石墨，不易形成锂枝晶，安全性好。硅在地球上含量丰富、无毒、环境友好，因而硅基材料引起了科研人员广泛的研究兴趣。但是硅材料也存在缺点，硅在脱嵌Li⁺的过程中会产生300 %以上的体积膨胀效应，产生很大的应力，使得硅基材料易粉化，并从集流体上脱落而丧失电接触，导致电化学性能衰退。而且随着材料的不断粉化，会有更多新的硅表面暴露于电解液中，形成新的SEI膜，不断消耗Li⁺，影响循环性能。除此之外，性能优良的纳米硅的制备条件较为苛刻，导致其成本居高不下。

二氧化硅（SiO₂）是地球上含量最丰富的硅基材料，其理论比容量为1965 mAh/g，虽不及硅，但也远远高于其他类别的负极材料。另外，SiO₂的制备方法简单，原料成本低廉，因此，当其被报道具有电化学储锂特性后，便被认为是Si的优良的替代品。报道显示，SiO₂比Si负极具有更好的循环性能。然而，SiO₂与纳米硅类似，在电化学储锂时也存在体积变化大和固有电子电导率低等问题，导致电化学性能不理想。

针对SiO₂负极存在的体积膨胀及导电性差等问题，通常采用将颗粒纳米化、调控制备多孔或者空心结构、与金属基材料复合以及与碳材料复合等方式来进行改性。其中，纳米化虽然能够在一定程度上降低体积变化，减小电极内部应力，但是并不能解决导电性差的问题，而且纳米颗粒表面较大的表面能使其在充放电过程中发生团聚，导致容量衰减。调控制备多孔或者空心结构虽然可以显著提高材料的储锂容量，但是往往存在制备过程繁复、产率低等问题。

目前市售的碳负极材料首次具有理论上的低比容量（372 mAh/g），低功率密度和低不可逆容量，严重制约了锂离子电池的电化学性能。因此，开发具有更高比容量，更高倍率性能和更高循环性能的新型锂离子电池负极材料已迫在眉睫。

发明内容