[发明专利]一种织物状碳包覆二氧化硅复合材料和应用

说明书

本发明公开一种织物状碳包覆二氧化硅复合材料的制备方法，其制备步骤如下：将纤维素纳米纤丝加入去离子水中进行超声处理得到纤维素纳米纤丝悬浮液后与二氧化硅纳米颗粒均匀混合，然后冷冻并进行冻干处理得到二氧化硅/纤维素纳米纤丝复合气凝胶；在惰性气体保护下进行碳化处理得到织物状碳包覆二氧化硅复合材料。本发明制备过程简单，无需高温、高压等苛刻的条件，且本发明织物状碳包覆二氧化硅复合材料作为锂离子负极材料使用时，具有良好的表面结构，较大的比表面积和较高的比容量，同时，该方法使用膨胀系数低、长径比高以及可生物降解的纤维素纳米纤丝作为构建碳网络结构的基材，这拓展了植物纤维的应用范围并使其得到高值化利用。

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其是一种织物状碳包覆二氧化硅复合材料和应用。

背景技术

锂离子电池由于其具有能量密度高、循环寿命长等优点被广泛应用于电子设备、电动汽车等领域。石墨作为商用锂离子电池的主要负极材料，其理论比容量只有372mAh/g，难以满足现代生产生活的需要。为了满足社会发展的需求，研发出具有更高能量密度的新型材料来取代石墨类材料具有十分重要的意义。SiO₂负极材料因具有较高的理论比容量(1965mAh/g)和良好的循环稳定性等特点而受到广泛关注。但是，SiO₂本身存在较低的电导率以及其在充放电过程易发生体积膨胀等缺点限制了其进一步应用。因此，将SiO₂用作锂离子电池负极材料时，首要任务是解决充放电过程中活性材料体积变化大以及导电性差等问题。为了解决这些问题，目前主要通过将SiO₂材料纳米化以及与碳材料复合来缓解SiO₂材料在充放电过程中的体积膨胀以及改善其导电性，来提高材料的电化学性能。

碳材料具有结构稳定以及较高的电子电导率等特点，促使它成为可与SiO₂进行复合的理想材料之一。纤维素具备众多优点的同时还具有合成多孔碳的潜质，它是合成碳基材料的理想原材料之一。将纤维素材料置于惰性气体或真空环境下对其自身含量丰富的碳素化合物进行初步分解以及高温碳化处理，可获得具有较好导电性和多级结构的纤维素碳纳米材料。改性处理的纤维素其表面除了自带的丰富的羟基还可引入大量的羧基，进一步高温碳化处理后可以转变为碳氧化物、水以及多孔的碳质材料。正因为纤维素纳米纤丝具有高热稳定性、良好的机械性能、低膨胀系数、高长径比和可生物降解等特点，使得其既可作为能源领域的碳源又可用来制备纳米材料。纤维素纳米纤丝具有大长径比，在与活性物质相结合时相互交织易于形成多孔隙的三维碳网络结构，这些空隙可以为充放电过程中体积膨胀较严重的活性材料提供空间，同时三维碳网络能够提高材料的导电性，使其成为构建复合材料的良好基材。

通过检索，发现如下两篇与本发明专利申请相关的专利公开文献：

1、氧化硅包覆纳米碳复合材料和制备方法(CN101215431B)，公开了一种氧化硅包覆纳米碳复合材料和制备方法，它是以纳米碳基体和有机硅氧烷为原料，通过在气相中热解有机硅氧烷在纳米碳基体上沉积包覆氧化硅，控制反应条件可使单根纳米碳管上氧化硅层厚为5-300nm；所述的碳基体为纳米碳，包括纳米碳纤维，纳米碳管，直径为1～500nm；具体制备方法是在气流中产生纳米碳，在含有纳米碳的气流里快速热解有机硅氧烷，热解温度600～1500℃。本发明是一种快速可控合成大量结构均匀的同轴纳米纤维的方法，具有简便、高效、高产率等特点。

2、一种碳包覆纳米硅复合材料及其制备方法和应用(CN106784732B)，本发明是要解决现有的利用纳米化、合金化或多孔化来降低硅基负极材料体积效应的方法制备工艺复杂，成本高的技术问题。本发明的碳包覆纳米硅复合材料是以纳米硅粒子为内容物、以碳为外壳的核壳结构的粉末。制备方法：将表面有氧化层的微米级硅微粉进行氧扩散，然后进行碳包覆处理，再用用氢氟酸溶液浸泡去除氧化硅成分，得到碳包覆纳米硅复合材料。本发明的碳包覆纳米硅复合材料的容量达到900mAh/g以上,150次循环后衰减小于4％，可用作锂电池硅负极材料。

通过对比，本发明专利申请与上述专利公开文献存在本质的不同。

发明内容