[发明专利]一种多孔硅-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多孔硅‑碳纳米管复合材料的制备方法，包括：向金属盐溶液中加入硅粉，在搅拌状态下，添加碱液，得到混合液，pH为12.0‑14.0；将所述混合液转移至水热反应釜中，于120‑200℃下，恒温反应4‑30小时，反应结束后，反应液经过滤、洗涤和真空干燥后，收集得到前驱体；将所述前驱体置于管式炉中，于惰性环境下，通入碳源，高温煅烧后，得到多孔硅‑碳纳米管复合材料粗品；然后进行酸处理，然后水洗至中性，经真空干燥后，收集得到多孔硅－碳纳米管复合材料。该制备方法工艺简单，制得的多孔硅‑碳纳米管复合材料导电性良好，体积效应低，循环稳定性能突出。本发明还提供了多孔硅‑碳纳米管复合材料及其应用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，具体涉及一种多孔硅-碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其具有比能量大、自放电小、工作电压高、无记忆效应和绿色环保等优异性能成为当下新能源领域的研究热点。目前，应用于商业生产的锂离子电池负极材料主要为具有较低而且平稳的工作电位和良好循环性能的碳素材料。但是碳材料的比容量偏低，而锂离子电池负极材料的储锂容量又是制约其应用范围的关键因素。

硅具有较大的理论比容量(4200mAh/g)，比石墨类负极材料的比容量(372mAh/g)高一个数量级，同时具有较低的嵌锂电位。然而，硅在与锂的合金化反应过程中，硅材料会产生剧烈的体积膨胀(体积变化率达到270％～300％)，容易导致活性材料在循环过程中发生结构破坏和粉化脱落，同时也会使得硅材料在电解液中无法形成稳定的表面固体电解质膜即SEI膜，电极结构被破坏后新暴露出的硅表面会再次形成新的SEI膜，从而导致充放电效率降低，加速容量衰减。另一方面，硅的本征电导率低，制约锂离子迁移速率，导致材料倍率性能差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种多孔硅-碳纳米管复合材料及其制备方法。该多孔硅-碳纳米管复合材料的制备方法，工艺简单，易操作；所述制备方法制得的多孔硅-碳纳米管复合材料导电性良好，体积效应低，具有突出的循环稳定性能。

第一方面，本发明提供了一种多孔硅-碳纳米管复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)向金属盐溶液中加入硅粉，在搅拌状态下，添加碱液，得到混合液，所述混合液的pH为12.0-14.0，其中，所述金属盐包括铁盐、镍盐和钴盐中的一种或多种；

(2)将所述混合液转移至水热反应釜中，于120-200℃下，恒温反应4-30小时，反应结束后，反应液经过滤、洗涤和真空干燥后，收集得到前驱体；所述前驱体包括多孔硅基体和沉积在所述多孔硅基体表面和孔洞内的金属氧化物；

(3)将所述前驱体置于管式炉中，于惰性环境下，通入碳源，升温至650-800℃高温煅烧0.5-3小时后，得到多孔硅-碳纳米管复合材料粗品；

(4)对所述多孔硅-碳纳米管复合材料粗品进行酸处理，然后水洗至中性，经真空干燥后，收集得到多孔硅－碳纳米管复合材料。

可选地，所述硅粉包括单质硅和氧化亚硅中的至少一种。

本发明一具体实施方式中，所述硅粉为单质硅，或所述硅粉为氧化亚硅，或所述硅粉由单质硅和氧化亚硅组成。

当所述硅粉由单质硅和氧化亚硅组成时，所述单质硅和所述氧化亚硅的质量比可以但不限于为1：(0.1-10)。

可选地，所述硅粉的粒径为0.1μm-2μm。

可选地，本发明所述硅粉的粒径可以为0.1μm，0.2μm，0.3μm，0.4μm，0.5μm，0.6μm，0.7μm，0.8μm，0.9μm，1μm，1.1μm，1.2μm，1.3μm，1.4μm，1.5μm，1.6μm，1.7μm，1.8μm，1.9μm或2μm。