[發(fā)明專利]一種三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610297819.8
• 申請日: 2016-05-06
• 公開（公告）號: CN107346820B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張文軍;鄒儒佳;袁牧鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 香港城市大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 楊雯茜;姚亮

本發(fā)明提供了一種三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。該復(fù)合負(fù)極材料由碳布基底、生長在碳布基底上的三維多孔碳層、以及包裹于三維多孔碳層中的硅納米材料組成。該復(fù)合負(fù)極材料的制備方法為：將淀粉、氫氧化鈉與水的混合液涂覆在碳布上，然后干燥、煅燒，冷卻至室溫后放入鹽酸溶液中浸泡，洗滌、干燥后，得到具有三維多孔碳層的碳布；將硅納米材料與乙二醇和/或丙二醇溶液混合，然后與所述具有三維多孔碳層的碳布進行水熱反應(yīng)，冷卻至室溫后，洗滌、干燥，得到所述的三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料。本發(fā)明提供的復(fù)合負(fù)極材料是一種高導(dǎo)電性、高容量的負(fù)極材料，并且該復(fù)合負(fù)極材料能夠減小硅基材料的體積變化對結(jié)構(gòu)的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，以及含有該復(fù)合負(fù)極材料的鋰離子電池，屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能源是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，目前人類面臨著嚴(yán)重的能源緊缺。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展、化石能源的不斷消耗、環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，研究一種高效、低成本、環(huán)境友好、高性能的能源轉(zhuǎn)換和儲存系統(tǒng)已經(jīng)顯得越來越重要。

鋰離子電池由于具有比能量大、工作電壓高、循環(huán)使用壽命長、無記憶效應(yīng)、自放電小、無污染綠色環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于在汽車、電力、鐵路、通訊、國防、消費型電子產(chǎn)等領(lǐng)域，從而引起了科研工作者的廣泛關(guān)注。

目前，商業(yè)化的鋰離子電池主要采用石墨類負(fù)極材料，但它的理論比容量僅為372mAh/g，無法滿足未來鋰離子電池對高能量密度的需求。硅作為一種新型的鋰電池負(fù)極材料，其儲鋰容量達到4200mAh/g，將近石墨的10倍。但是目前將硅作為負(fù)極材料也存在一定的技術(shù)問題，由于硅基材料導(dǎo)電性差，在脫嵌鋰過程中存在著嚴(yán)重的體積膨脹，造成材料的結(jié)構(gòu)破壞甚至從電極上脫落下來。因此，硅基負(fù)極材料在鋰離子電池應(yīng)用的主要技術(shù)難點在于大多數(shù)的硅基材料在嵌鋰和脫嵌的過程中體積變化巨大，硅基材料的結(jié)構(gòu)膨脹、結(jié)構(gòu)破壞，最終導(dǎo)致容量劇烈衰退。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。該復(fù)合負(fù)極材料是一種高導(dǎo)電性、高容量的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，并且該復(fù)合負(fù)極材料能夠減小硅基材料的體積變化對結(jié)構(gòu)的影響。

本發(fā)明的目的還在于提供一種含有上述三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料的鋰離子電池。

為達到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料，該復(fù)合負(fù)極材料由碳布基底、生長在所述碳布基底上的三維多孔碳層、以及包裹于所述三維多孔碳層中的硅納米材料組成。

在上述三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料中，優(yōu)選地，所述碳布基底的導(dǎo)電率為5mΩ·cm²以下。碳布即為碳纖維布，其是碳纖維的織物，是一種高韌性、高柔性的導(dǎo)電材料。在本發(fā)明中，所述碳布基底可以選自聚丙烯腈(PAN)基碳纖維布、黏膠基碳纖維布、瀝青基碳纖維布等中一種或幾種的組合，對于該碳布的織造方式以及尺寸大小并不做特別限制，可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際需要進行選擇。

在上述三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料中，優(yōu)選地，所述三維多孔碳層的厚度為0.5-100μm，所述三維多孔碳層中的三維多孔碳的表面積為20-300m²/g，孔體積為10-200m³/g，平均孔徑為2-200nm。

在上述三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料中，優(yōu)選地，所述硅納米材料包括硅納米粒子和/或硅納米線，所述硅納米粒子的直徑為1-150nm，所述硅納米線的直徑為5-10nm、長度為10-50nm，以所述三維多孔碳包裹硅的復(fù)合負(fù)極材料的總重量為基準(zhǔn)，其中硅納米材料的含量為1-70％，更優(yōu)選地，其中硅納米材料的含量為40-60％。