[发明专利]一种三维硅碳复合负极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用

说明书

本发明提供一种三维硅碳复合负极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用，制备方法包括如下步骤：步骤一、将细菌纤维素水凝胶通过冷冻干燥得到气凝胶，然后将气凝胶浸渍在纳米硅源分散液中，吸收充分后干燥，得到细菌纤维素/纳米硅复合气凝胶；步骤二、将细菌纤维素/纳米硅复合气凝胶在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为700‑1200℃，自然冷却后得到该三维硅碳复合负极材料。高温裂解后得到细菌纤维素衍生的三维碳纳米纤维之间相互交联，具有良好的塑形应变，赋予其优异的力学性能，并且，所得三维碳纳米纤维具有多孔网络结构，因此其可以充分容纳硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，进而提高材料的循环和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种三维硅碳复合负极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用，属于锂离子电池负极材料领域。

背景技术

由于多种便携式电子设备以及电动汽车的快速发展和广泛应用，对于高能量、长循环寿命储能电池的需求十分迫切。目前，商用锂离子电池石墨负极的容量(～350mAh/g)已接近其理论容量(372mAh/g)，提高空间有限，开发新型高能量负极材料将是必然趋势。

相比传统石墨负极，硅负极因其超高的理论比容量(4200mAh/g)以及更好的安全性而得到广泛研究，被认为是最有希望的下一代高能量负极材料之一。但由于硅负极在充放电过程中显著的体积效应(～300-400％)以及低的电导率，严重制约了其循环稳定性和首次库伦效率，进而限制了其在锂离子电池中的规模化应用。

为了解决上述问题，目前多通过硅颗粒的纳米化以及碳包覆来缓解其循环过程中的体积膨胀、改善其导电性，来提高其电化学性能。然而，由于作为包覆层的碳材料塑形应变较小，在复合材料的脱-嵌锂过程中，碳层往往会随着硅材料的体积膨胀而破裂，导致硅材料与电解液充分接触，持续形成电解质界面(SEI)膜，造成电池的首次效率下降以及长时间循环中的容量衰减。因而，探索兼具良好的塑形应变以及导电性的包覆材料对提高硅基复合材料的电化学性能具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种三维硅碳复合负极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用，所得复合负极材料具有优异的塑性应变，可以有效缓解纳米硅的体积效应，提高材料的循环和倍率性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种三维硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将细菌纤维素水凝胶通过冷冻干燥得到气凝胶，然后将气凝胶浸渍在纳米硅源分散液中，吸收充分后干燥，得到细菌纤维素/纳米硅复合气凝胶；

步骤二、将细菌纤维素/纳米硅复合气凝胶在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为700-1200℃，自然冷却后得到该三维硅碳复合负极材料。

优选的，步骤一中，所述纳米硅源分散液是将纳米单质硅粉和纳米氧化亚硅粉中的一种或两种混合物加入溶剂中，分散后得到。

进一步的，所述纳米硅源分散液中纳米单质硅粉和纳米氧化亚硅粉的总质量浓度为1-20％。

进一步的，所述溶剂为水、乙醇、异丙醇和氮-甲基吡咯烷酮中的一种或几种混合物。

进一步的，所述纳米单质硅粉和纳米氧化亚硅粉的平均粒径均为50-300nm。

优选的，步骤一中，干燥为液氮冷冻干燥或超临界干燥。

优选的，步骤二中，高温裂解时间为0.5-3h。

采用所述的制备方法得到的三维硅碳复合负极材料。

所述的三维硅碳复合负极材料在锂离子电池中的应用。

优选的，将三维硅碳复合负极材料用冲片机冲片后作为负极使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：