[发明专利]一种脲基嘧啶酮分子修饰纳米硅的制备方法

说明书

本发明涉及一种脲基嘧啶酮分子修饰纳米硅的制备方法，其特征在于：（1）将2‑氨基‑6‑(1‑乙基戊基）‑3H‑嘧啶‑4‑酮和1,1‑羰基二咪唑按摩尔比1：1~2混合，加三氯甲烷，20~60℃反应2~24h，得异胞嘧啶异氰酸酯；（2）将纳米硅分散于乙醇水溶液中，二者质量体积比为1:48~53，加溶液体积0.2~0.3%的氨丙基三甲氧基硅烷，20~70℃反应2~24h，得表面修饰氨基的纳米硅；（3）将表面修饰氨基的纳米硅分散于三氯甲烷中，二者的质量体积比为0.4~0.6：30，加入表面修饰氨基的纳米硅质量8~12%异胞嘧啶异氰酸酯，20~60℃反应2~24h，得脲基嘧啶酮分子修饰的纳米硅。本发明优点：工艺简单、反应条件温和；通过多重氢键的动态强超分子作用，抑制硅纳米粒子在反复充放电过程中的膨胀，并防止纳米硅的粉化。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种脲基嘧啶酮分子修饰纳米硅的制备方法。

技术背景

锂离子电池（LIBs）是便携式电子设备的主要储能技术，并可以用于电网规模的储能等不同市场。锂离子电池环境友好，相对较高的能量密度和稳定的性能，已经应用电脑、移动电话和电动汽车等多个行业。在电动汽车领域，锂离子电池的市场规模甚至超过了便携式电子产品。然而，目前锂电池商用石墨负极已不能满足便携式电子设备、电动汽车和储能应用对能量密度、运行可靠性和系统集成的日益增长的需求。

石墨负极固有比容量只有372 mAh g^-1，并存在一定的安全问题。因此，研究具有高容量、充放电电位合适、安全、制造和使用成本低的新一代负极材料引起了学术界和工业界的高度重视。

在所有潜在的锂离子电池（LIB）负极材料中，硅（Si）是最有潜质替代石墨的，原因如下：（1） 除金属锂外，Si具有最高的重量容量（4200 mAhg^-1）和体积容量（9786 mAh cm^-3，根据Si的初始体积计算）；（2）在保持合理的开路电压与避免不良的析锂过程之间找到了良好的平衡；(3)硅储量丰富（地壳中第二丰富），具有低成本、环保、无毒的潜力。

然而，Si作为锂离子电池的负极材料也存在诸多瓶颈。

首先，Si在嵌锂/脱锂过程中体积会膨胀剧烈（约为360%）并产生巨大应力，导致一系列严重的破坏后果，包括（1）反复放电/充电过程中磨粉逐渐增强，电极结构完整性恶化；（2）界面应力导致电极与集电极断开；（3）固体电解质界面（SEI）层连续形成-断裂-改造过程中锂离子持续消耗。所有这些过程都加速了电极的崩溃和容量的衰退。

其次，硅基负极实际应用的另一个主要挑战是稳定其与电解质的界面，这被称为固体电解质界面（SEI）。由于电解液在低电势下的分解，在硅基材料的第一次锂化膨胀状态下产生了SEI膜。实际上，SEI膜起到了阻挡锂离子和绝缘体对电子穿透的作用，因此SEI层的生长最终在一定厚度时终止。然而，由于锂插入/脱插入过程中不断的体积膨胀和收缩，硅基材料与电解质之间的界面并不是静态的。更多的硅碎片出现，并在这些表面上再次形成新鲜的SEI膜，导致每次充放电循环连续形成SEI较厚的SEI膜的不良生长，导致硅基阳极的快速降解，这是因为：（i）锂离子和电解质的消耗，以形成连续的SEI；（ii）硅基材料与集电极之间电接触的减弱，由于SEI层的电绝缘；（iii）通过较厚的SEI层的锂扩散距离延长；（iv）钝化效应增加了电极阻抗/极化。

最后，较差的本征电子导电性也是导致电化学动力学迟缓的重要原因。硅的本征电导率较低，约为10 ^-3 S cm⁻¹，锂化后本征电导率可提高到约10² S cm⁻¹。硅的扩散系数在10⁻¹⁴ ~ 10⁻¹³ cm² s⁻¹之间，这些性质严重限制了硅基阳极的全容量利用率和倍率利用率。

发明内容