[发明专利]一种氧化亚硅/碳纳米管复合材料及其在锂离子电池负极中的应用

说明书

本发明公开了一种氧化亚硅/碳纳米管复合材料及其在锂离子电池负极中的应用。本发明在SiOsubgt;x/subgt;颗粒表面依次引入ZIF‑8和ZIF‑67形成双层包覆壳结构，然后在惰性气体环境下高温退火，高温裂解过程中核壳结构塌陷和ZIF‑67中Co的催化作用，使ZIF‑8和ZIF‑67双层壳生长成CNTs，实现了在SiOsubgt;x/subgt;颗粒表面均匀生长CNTs得到SiOsubgt;x/subgt;‑CNTs复合材料。将获得的SiOsubgt;x/subgt;‑CNTs复合材料制备成复合负极并进行电化学性能测试，复合负极具有良好的循环性能，满足商业化应用需求。本发明制备SiOsubgt;x/subgt;‑CNTs复合材料的工艺简单、成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种氧化亚硅/碳纳米管复合材料及其在锂离子电池负极中的应用。

背景技术

随着便携式电子设备、电动汽车和储能系统对锂离子电池的大容量、长续航等需求的日益增长，开发高能量密度的二次电池日益迫切。锂离子电池由于其诸多突出优点，在新能源领域备受关注并得到了广泛应用。

锂离子电池的能量密度主要取决于其电极材料。Si基负极材料具有超高的理论比容量(4200mAhg^-1)是现在普遍应用的石墨(372mAhg^-1)负极材料的十倍之多。并且其具有较低的脱嵌锂电位(约0.1-0.3V vs Li/Li⁺)，可以提供很长的放电平台等优点(NatureMaterials,2010,9,353-358.)。但是，由于充放电过程中Si材料会发生巨大的体积膨胀(约400％)和收缩，这将导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，从而造成容量迅速衰减，循环性能迅速恶化(Nature Communications,2015,6,8844.)。

发明内容

本发明目的在于提供一种氧化亚硅/碳纳米管复合材料及其在锂离子电池负极中的应用。本发明结合溶液混合和热退火处理获得了碳纳米管均匀生长在SiO_x颗粒表面。CNTs可以减少SiO_x与电解液的直接接触而发生副反应，帮助SiO_x表面生成稳定的固体电解质膜，有效抑制SiO_x的体积效应，提高电极充放电的结构稳定性；同时提供导电通道，提高SiO_x的电荷转移特性，降低内阻。SiO_x-CNTs复合材料独特的结构特性有效提高了锂离子电池复合负极的循环稳定性。

所述的氧化亚硅/碳纳米管复合材料的制备方法为：

(1)将有机配体和表面活性剂的醇溶液快速倒入锌盐和SiO_x的醇溶液中，有机配体和锌盐的摩尔比为1-16:1；搅拌反应2-12h，离心分离，将沉淀在60-120℃下干燥12-24h，得到SiO_x/ZIF-8复合材料；

(2)将SiO_x/ZIF-8复合材料分散在醇溶剂中，然后加入钴盐的醇溶液，再加入有机配体的醇溶液，有机配体和钴盐的摩尔比为1-16:1；搅拌反应12-24h，醇溶剂离心洗涤，沉淀在60-120℃下干燥12-24h，得到SiO_x/ZIF-8@ZIF-67复合材料；

(3)在惰性气氛下，将SiO_x/ZIF-8@ZIF-67复合材料800-950℃高温退火2-12h，得到SiO_x-CNTs复合材料。

所述的SiO_x和SiO_x-CNTs中，0＜x＜2，优选0.8＜x＜1.6。

所述的有机配体为2-甲基咪唑、苯并咪唑、二亚甲基苯中的一种或几种。

所述的锌盐为硝酸锌、醋酸锌、硫酸锌中的一种或几种。

所述的钴盐为硝酸钴和/或醋酸钴。