[发明专利]一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料及其制备方法，将粘合剂、导电碳黑和碳纳米管加入水中，得到混合溶液，在180℃～200℃对混合溶液进行喷雾干燥，得到多孔碳前驱体；对多孔碳前驱体进行热处理，得到多孔碳材料，在多孔碳材料的表面进行3min～5min的催化剂掺杂，得到改性多孔碳；在600℃～800℃条件下对改性多孔碳进行0.5h～1.5h的硅颗粒沉积处理，得到多孔碳内部沉积硅颗粒的硅碳材料前驱物；对得到的硅碳材料前驱物进行15min～20min的沉碳处理，得到多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料，本发明得到的硅碳负极材料以多孔碳为基体，多孔碳在构建了强大导电网络的同时给硅颗粒提供了足够的膨胀空间，使得所制备的硅碳负极材料具有较高容量，并且循环性能较好。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体属于一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

为了满足工业发展，需要大力发展储能器件，锂离子电池作为主流的储能器件之一受到了社会的广泛重视。传统的石墨负极由于理论容量(372mAh g^-1)较低，已经无法满足目前电动汽车或智能电网的发展，因此需要更高容量的电极材料来实现更高能量密度的电池。硅是目前已知容量最高的负极材料(4200mAh g^-1)，其脱嵌锂电位较低，来源较为丰富，是目前发展高能量密度电池最佳的负极材料之一。

尽管硅具有较高的理论容量，但是其在充放电过程中会产生巨大的体积变化(300％)，这种变化将造成材料结构破坏、颗粒粉化，进而导致电极容量快速衰减，电极失效。为了解决上述问题，利用硅材料的优势，通过对其与碳材料进行复合制备硅碳材料是一种有效的方式。一方面，碳材料可增加硅材料的导电性；另一方面，硅含量的降低，可使得材料的膨胀在可允许的一个接受之内。综合起来，这使得硅碳材料在呈现出高比容量的同时也保证了循环过程中的稳定性，具有广阔的商业前景。

目前硅碳材料的制备方面主要是将硅直接与碳材料进行混合，这些硅碳材料对硅的含量需要有一定限制，当硅含量过高时，膨胀仍然较大，会导致电极结构破坏；还有对硅表面进行各种形式碳包覆，但是这种结构再经过长时间的循环后，硅材料的膨胀也能够造成结构的破坏，降低电池的循环性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料及其制备方法，该负极材料以多孔碳为基体，使用催化剂进行掺杂诱导硅沉积在内部，在构建了强大导电网络的同时给硅颗粒提供了足够的膨胀空间，使得所制备的硅碳材料具有较高容量，并且循环性能较好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料的制备方法，具体步骤如下：

S1将粘合剂、导电碳黑和碳纳米管加入水中，得到混合溶液，在180℃～200℃对混合溶液进行喷雾干燥，得到多孔碳前驱体；

S2对多孔碳前驱体进行热处理，得到多孔碳材料，在多孔碳材料的表面进行3min～5min的催化剂掺杂，得到改性多孔碳；

S3在600℃～800℃条件下对改性多孔碳进行0.5h～1.5h的硅颗粒沉积处理，得到多孔碳内部沉积硅颗粒的硅碳材料前驱物；

S4对得到的硅碳材料前驱物进行15min～20min的沉碳处理，得到多孔碳掺杂诱导硅沉积的硅碳负极材料。

进一步的，步骤S1中，所述粘合剂、导电碳黑和碳纳米管的质量比为(1～5)：(1～3)：(0.5～3)。

进一步的，步骤S1中，所述粘合剂为三聚氰胺甲醛树脂(MF)、羧甲基纤维素(NaCMC)、聚氧化乙烯(PAA)或聚乙烯醇(PVA)。

进一步的，步骤S1中，所述喷雾干燥得到粒径为10μm～30μm的多孔碳前驱体。

进一步的，步骤S2中，所述热处理在900℃～1100℃进行。