[發明專利]一種鈷-氧化硅/碳納米復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201010252884.1
• 申請日: 2010-08-13
• 公開（公告）號: CN101913556A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 趙海雷;王靜;王捷;王春梅
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;H01M4/36
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 劉淑芬

技術領域

本發明屬電化學技術領域，具體涉及一種通過水熱法制備鈷-氧化硅/碳納米復合材料的方法。

技術背景

鋰離子電池是目前比能量最高的一種便攜式化學電源。當前，商用鋰離子電池使用的負極材料集中于碳材料，但碳負極材料存在比容量低、易發生有機溶劑共嵌入等缺點，影響了其在高比能、高功率型電池中的應用。研究表明，當負極材料的比容量在1000～1200mAh/g時可以顯著提高鋰離子電池的總比容量，因此新型負極材料的研究開發備受矚目。硅作為目前研究的各種合金中理論容量最高的負極材料已經引起越來越多業內人士的關注，鋰與硅反應可得到不同的產物，如Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Li₇Si₃、Li₂₂Si₅等，Li₂₂Si₅的理論插入量達4200mAh/g，鋰插入硅的中止電位可以控制在0.2V以上，能夠顯著提高電池的容量和安全性能(S.Bourderaus，T.Brousse，D.M.Schleich.Amorphous?silicon?as?a?possible?anode?material?for?Li-ion?batteries.Journal?ofPower?Sources，1999，81(81-82)：233～236)。但是，Si基材料在脫、嵌鋰循環過程中要經歷嚴重的體積膨脹和收縮(體積變化率：280％～300％)，造成材料結構的破壞和機械粉化，導致電極材料間及電極材料與集流體的分離，進而失去電接觸，致使容量迅速衰減。通過合金化(G.X.Wang，L.Sun，D.H.Bradhust，et?al..Nanocrystalline?NiSi?alloy?as?an?anode?material?for?lithium-ionbatteries.Journal?of?Alloys?and?Compounds，2000，306：249～252)方法可以一定程度上改善循環性能，但是沒有根本解決Si基材料循環穩定性的問題。后來采用納米氧化物粒子，由于氧化硅在首次嵌鋰過程中，形成氧化鋰，而氧化鋰作為惰性成分可以減緩充放電過程中體積的變化，提高結構的穩定性和循環性能(J.Yang，Y.Takeda，N.Imanishi，et?al..SiOx-based?anodes?forsecondary?lithium?batteries.Solid?State?Ionics，2002，152-153：125-129)。然而納米粒子之間易發生團聚，在循環過程中納米粒子的電團聚使得材料逐漸失去納米特性，容量衰減迅速，而且氧化硅首次不可逆容量較大，因此納米氧化硅負極材料離實用化仍有相當大的距離。因此本發明針對Si基材料循環穩定性差、首次庫倫效率低等問題，在材料組成設計和納米顆粒表面修飾方面進行了廣泛深入的研究，設計并制備了Si基納米復合負極材料：碳包覆鈷-氧化硅負極材料，該材料通過水熱法制備，其結構穩定、顆粒分布均勻、安全性好，比容量高，首次庫倫效率高，是一種有發展前途的鋰離子電池高比容量負極材料。并采用鈷-氧化硅/碳復合材料作為鋰離子電池負極材料，組裝成鋰離子電池。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種鈷-氧化硅/碳納米復合材料的制備方法，用于生產鈷-氧化硅/碳納米復合材料。

本發明的目的通過以下方式實現：

一種鈷-氧化硅/碳納米復合材料的制備方法，該方法的具體制備步驟如下：

(1)配制溶液A：將正硅酸醋乙酯、聚乙烯吡咯烷酮、碳源、鈷源和去離子水混合，攪拌均勻，制成溶液A。其中，正硅酸醋乙酯和去離子水的體積比為1∶10-1∶30，聚乙烯吡咯烷酮和二氧化硅的質量比為2∶1-1∶3、碳源和二氧化硅的摩爾比為1∶1-10∶1、鈷源和二氧化硅的摩爾比為1∶2-1∶6。

配制溶液B：將氫氧化鈉、硼氫化鈉和去離子水混合，攪拌均勻，制成溶液B。其中，氫氧化鈉和鈷源的摩爾比為2∶1-5∶1、硼氫化鈉和鈷源的摩爾比為2∶1-5∶1、氫氧化鈉和去離子水的質量比為1∶5-1∶80；

(2)將溶液B加入到溶液A，繼續攪拌至均勻，倒入水熱罐中；

(3)將水熱罐置于烘箱中，130-180℃保溫5-48小時；

(4)將步驟(3)所得產物用去離子水和無水乙醇洗滌、過濾后，置于烘箱中80-120℃烘干；