[发明专利]一种以纤维素/二氧化硅气凝胶为前驱体的硅氧碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种以纤维素/二氧化硅气凝胶为前驱体的硅氧碳负极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明以纤维素/二氧化硅复合气凝胶为前驱体，纤维素具有可再生、低碳环保等优点，二氧化硅气凝胶也具有来源广泛、可再生、可生物降解等优点。因此，本发明有利于推动环境友好、成本低廉的硅氧碳负极材料的大规模生产。此外，纤维素/二氧化硅复合气凝胶具有密度低、孔隙率高以及吸附性能强等优点，以纤维素/二氧化硅复合气凝胶为前驱体制备的硅氧碳负极材料继承了气凝胶的优点，具有三维多孔结构和较大的比表面积，有利于提高硅氧碳负极材料的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种以纤维素/二氧化硅气凝胶为前驱体的硅氧碳负极材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车的飞速发展，传统锂离子电池已愈发无法满足动力电池对高能量密度及长循环寿命的需求。在众多改进方法中，提升负极材料比容量对提升电池能量密度具有重要意义。石墨作为主流的商业化负极材料，具有电压平台低、循环稳定等优点，但目前商业化的锂离子电池的石墨负极的理论容量低，仅为372mAh/g，其较低的可逆比容量还无法满足下一代锂离子电池的需求。因此为了开发高能量以及高功率的锂离子电池，提高锂离子电池的负极材料容量是解决锂离子电池应用的关键性问题。

在众多负极材料中，硅的理论容量最高，Li和Si形成合金Li_xSi(0x≤4.4)；很多学者认为在常温下，硅负极与锂合金化产生的富锂产物主要是Li_3.75Si 相，容量高达3572mAh/g，但伴随着巨大的体积变化，其体积膨胀高达280％，硅的粉化致使电极结构失稳而失效，导致电极结构的崩塌和活性材料剥落而使电极失去电接触，电极的容量随之大幅度下降甚至完全失效。特别是普通纯硅，循环稳定很差，循环5次后容量就从3000mAh/g以上降到几乎为零。此外，硅的导电性差使得其作负极材料时理论容量不能完全释放。目前主要的解决方法降低硅材料的粒径尺寸，但是这种方法复杂，产率低，此外纳米尺寸的硅材料价格昂贵，因此难以大规模生产利用。碳负极材料在充放电过程中体积变化相对较小，具有较好的循环稳定性能，而且其本身是电子的良导体，此外硅与碳的化学性质相近，二者能紧密结合。因此硅碳结合的负极材料引起了众多研究工作者的关注，其中硅碳以Si-O-C方式结合的负极材料的理论容量可达920mAh/g，远大于石墨的理论容量，这种具有优异化学和物理性质的Si-O-C材料成为众多科学工作者的研究对象。

目前，大多数制备硅氧碳负极材料的工艺较为复杂，生产成本高，不便于大规模生产利用，因此，开发一种生产工艺简单，成本低廉，循环稳定性好的硅氧碳负极材料成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以纤维素/二氧化硅气凝胶为前驱体的硅氧碳负极材料及其制备方法，本发明的方法简单、成本低廉，且制备的硅氧碳富集材料具有较高的比容量和良好的循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种以纤维素/二氧化硅气凝胶为前驱体的硅氧碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将碱性硅溶胶、纤维素溶液和有机硅烷混合，形成纤维素/二氧化硅复合水凝胶；

将所述纤维素/二氧化硅复合水凝胶干燥后，得到纤维素/二氧化硅复合气凝胶；

将所述纤维素/二氧化硅复合气凝胶进行碳化处理，得到硅氧碳负极材料。

优选的，所述碱性硅溶胶中二氧化硅粒子的粒径为5～100nm。

优选的，所述有机硅烷为甲基三甲氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷或双1,2三甲氧基硅基乙烷。

优选的，所述碱性硅溶胶与有机硅烷的质量比为1:(0.1～5)；所述碱性硅溶胶的质量浓度为5～50％。

优选的，所述纤维素溶液中纤维素与碱性硅溶胶的质量比为1:(1～10)。