[发明专利]一种三维多孔硅氧负极复合材料及其制备方法

说明书

一种三维多孔硅氧负极复合材料及其制备方法，所述复合材料为核壳结构，内核为纤维纳米硅氧形成的三维结构，在纤维纳米硅氧的孔隙间填充有无定形碳，外壳为无定形碳材料，外壳的质量占比为1～10wt%；制备时，先通过硅烷制备纳米硅纤维材料，后浸泡于催化剂溶液中，经水热反应、冷冻干燥、气相沉积法得到硅碳复合材料，本发明的复合材料将催化剂分散在纳米硅纤维材料之间，形成网络结构，同时纤维间纳米硅相互交错贯穿形成孔隙，降低材料的膨胀；同时利用硅烷偶联剂在纳米硅之间的偶联作用形成的网络结构，提高材料的导电性及其结构稳定性，使制得的材料孔隙率高、比表面积大、膨胀率低。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备技术领域，具体涉及一种三维多孔硅氧负极复合材料及其制备方法。

背景技术

硅碳材料以其能量密度高、其硅材料因其高达4200mAh/g的理论容量、较低的脱锂电位及丰富的储存量等优势受到研究者一致重视。但是，硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化，造成材料膨胀较大，且硅碳材料的导电率低，这都影响材料的倍率性能和循环性能。

传统降低硅碳材料膨胀的措施主要为硅的纳米化、采用多孔硅或多孔碳复合纳米硅，但是这些措施在降低材料膨胀的同时，会造成材料的首次效率偏低，电子导电率也没有得到改善，同时硅内核与外壳碳之间在长期循环过程中容易出现材料剥离，影响材料的循环性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维多孔硅氧负极复合材料及其制备方法，其通过液相法制备出纳米硅纤维材料，并在纳米硅纤维材料的表面沉积无定性碳，制备出三维多孔硅氧负极复合材料，降低复合材料的膨胀。

本发明所采用的技术方案是：

一种三维多孔硅氧负极复合材料，所述复合材料为核壳结构，内核为纤维纳米硅氧形成的三维结构，在纤维纳米硅氧的孔隙间填充有无定形碳，外壳为无定形碳材料，外壳的质量占比为1～10wt%。

进一步地，内核中，纤维纳米硅氧与无定形碳的质量比为（1～5）：（1～5）。

一种三维多孔硅氧负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）纤维状硅碳前驱体A的制备：

将硅烷化合物添加到树脂溶液中，之后添加聚丙烯腈，置于熔融纺丝筒中，在惰性气氛下加热到300～600℃的熔融状态，之后加压到3～10Mpa，经喷射得到纳米纤维硅化合物，之后在惰性气氛、800℃下碳化6h，得到纤维状硅碳前驱体A；

（2）硅碳前驱体B的制备：

将纤维状硅碳前驱体A与1～10wt%催化剂有机溶液混合均匀，并加入石墨烯溶液，之后在温度100～200℃，压强1～5Mpa条件下反应1～6h，过滤、冷冻干燥得到硅碳前驱体B；

（3）复合材料的制备：

将硅碳前驱体B转移到管式炉中，先通入惰性气体排除管内的空气，再通入碳源气体，以1～10℃/min的速率升温至700～1000℃保温1～12h，之后停止加热，改通惰性气体，自然降温到室温，经粉碎即得所述复合材料。

进一步地，硅烷化合物、树脂以及聚丙烯腈的质量比为100：（10～30）：（10～30）。

进一步地，纤维状硅碳前驱体A、催化剂及石墨烯的质量比为100：（1～5）：（0.5～2）。

进一步地，步骤（1）中树脂溶液为酚醛树脂溶液、环氧树脂溶液或糠醛树脂溶液，溶液的浓度为1～10wt%，溶剂为乙醇、丙酮、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二丙二醇甲醚和二丙二醇乙醚中的一种或多种。

进一步地，步骤（1）中硅烷化合物为γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油 醚氧丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(b-甲氧基 乙氧基) 硅烷、甲基三乙酰氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷的任意一种。