[发明专利]一种用于锂离子电池负极的植物纤维基硅碳复合材料的制备方法及电池

说明书

本发明涉及一种包括用于锂离子电池负极的植物纤维基硅碳复合材料的制备方法，步骤如下：⑴将通过化学的或化学机械法处理得到的植物纤维均匀分散于水中，之后滤除部分水分，得到充分湿润的植物纤维；⑵置于碱性溶液中处理、滤除碱液、清洗至中性；⑶配制四乙氧基硅烷‑乙醇溶液；⑷制备纤维‑硅烷复合材料。本发明方法方法利用植物纤维中天然的碳骨架结构制备具有微‑纳米结构且硅分布均匀的硅碳复合材料，在该过程中通过简单的预处理手段对植物纤维结构进行调控，以利于硅碳复合材料电化学性能的提高，同时，该方法充分并有效地利用自然界中广泛存在的植物纤维，拓展了植物纤维的应用范围。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料以及储能材料应用技术领域，涉及一种硅碳复合材料的制备方法及用途，尤其涉及一种包括用于锂离子电池负极的植物纤维基硅碳复合材料的制备方法及电池。

背景技术

锂离子电池作为一种拥有高能量密度、高功率密度、良好安全性能以及绿色环保的二次电池，已被广泛应用于消费类电子产品、交通、通讯、航空航天、军事以及新能源汽车等各个领域。目前，商业化锂离子电池使用的负极材料主要是石墨，其较低的理论比容量(约372mAh g^-1)无法满足高能量密度储能设备的应用要求。在众多的负极材料中，硅(Si)拥有较高的理论比容量(室温理论容量为3580mAh g^-1)和嵌锂电位，被认为是最有可能替代石墨的新一代负极材料。然而，硅负极材料在嵌锂过程中会产生巨大的体积膨胀，使得电解液无法在硅表面形成稳定的固体电解质界面膜，导致容量迅速衰减；另外，硅作为一种合金类材料，其导电性较差。因此，利用硅作为锂离子电池的负极材料时，首先需要解决的是硅在充放电时体积膨胀和导电性差的问题。

构建硅碳复合材料可以有效地增加硅的导电性并且能够缓冲硅在充放电过程中的体积变化。目前，硅碳复合材料的构建方法大多是将纳米硅颗粒与纳米碳材料(石墨烯、碳纤维、碳纳米管等)复合，此类方法具有过程复杂、所用原料成本较高的缺点。因此，采用天然的富碳物质作为碳源构建硅碳复合材料的方法受到越来越多的关注。

纤维素作为一种丰富的、可再生的富碳物质，在制备碳材料领域具有广阔的应用前景。Shen等(Acs Applied MaterialsInterfaces，2018，10(9)：7946-7954)在低温下将纤维素溶解于碱/尿素水体系，以其作为碳源包裹硅纳米粒子制备了一种硅碳复合材料，在锂离子电池中表现出优异的电化学性能。然而，此方法需要在苛刻的条件下使用特殊溶剂将纤维素溶解，过程复杂且难以工业化。与之相比，纤维素纳米纤丝是构建硅碳复合材料的较好替代物。纤维素纳米纤丝具有优异的柔韧性和超薄结构，在热解后能缠结每个硅纳米颗粒，形成广泛互连的碳网络。Kim等(Journal Of Materials Chemistry A，2018，6(26)：12475-12483)利用纤维素纳米纤丝和硅纳米颗粒制备的新型纺织类碳包硅材料在相同的碳含量下比传统的碳包硅具有更好的电化学性能。然而，在这些方法中，不可避免地会出现纳米级硅颗粒的团聚，从而导致硅碳复合材料的容量衰减。另外，其过高的成本也使得硅碳复合材料远不能达到工业应用水平。

植物纤维原料在经过化学或化学机械作用，亦即制浆造纸行业中的化学或化学机械法制浆后，可得到完全解离的纸浆纤维，亦即单根的植物纤维。这些纤维中含有大量的纤维素，是否可以作为硅碳复合材料的碳源使用？据报道，由植物纤维衍生的多孔碳纤维可以用来制备超级电容器(Acs Nano，2013，7(7)：6037-6046)，这是因为碳化后的植物纤维具有独特的微-纳米结构，即单根碳化后的纤维尺寸是微米级的，这使所得碳材料具有较小的比表面积，从而减少首次循环的不可逆容量损失；而碳化后纤维上的纳米级的孔却能够加速电子和离子的传递，使得材料的容量增加(Scientific Reports，2016，6：35620)。