[發(fā)明專利]一種硅?多孔碳電極材料及其制備方法和應用

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• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107425184A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設計）人: 張耀;莊向陽;何凌瀟
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發(fā)明屬于電池材料領域，特別涉及一種容量高、倍率性能好、低成本的硅-多孔碳電極材料，還涉及該電極材料的制備方法。

背景技術

鋰離子電池的優(yōu)越性能使其在便攜式電子設備、電動工具、交通工具、航空航天等方面都有廣闊的應用前景。

目前商用的負極材料仍以石墨碳素類的碳材料為主，其最大理論比容量只有372mAh/g，制約了鋰電池容量的進一步提高。硅具有儲鋰容量高、地球資源豐富等優(yōu)點，有望成為下一代鋰離子電池的負極材料，將其用作鋰離子電池的負極能大幅提升電池的容量。硅的理論容量高達4200mAh/g，是碳素負極材料容量的10倍以上。但是，以往的研究表明，硅基電極在充放電循環(huán)過程中，即在鋰離子嵌入、脫出電極的過程中，體積變化巨大(>300％)，導致材料結構的崩塌和電極的剝落、粉化、電導率的下降，進而導致電池容量銳減。同時，由于硅為半導體，本征電導率低，純硅材料的高倍率充放電性能較差。

近年來，通過和碳材料復合提升硅基電極材料循環(huán)性能和倍率性能的方法受到廣泛關注。多種特殊結構的硅碳復合材料表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能。但是，這些材料的制備方法往往具有一些缺點，例如制備工藝冗長、成本高、對環(huán)境有污染、難以大規(guī)模生產(chǎn)等。

發(fā)明內容

技術問題：為克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種硅-多孔碳電極材料及其制備方法和應用，該材料循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能好、成本低、環(huán)境友好、可規(guī)模化生產(chǎn)。本發(fā)明的另一個目的是提供所述硅-多孔碳電極材料的制備方法及應用。

技術方案：本發(fā)明的一種硅-多孔碳電極材料為納米硅顆粒分散在多孔碳支架上，硅-多孔碳電極材料具有孔徑為4-500nm的孔道結構，比表面積180-400m²/g。

本發(fā)明的硅-多孔碳電極材料的制備方法為：將納米硅粉與納米氧化鎂粉末的混合物超聲分散于蔗糖溶液中，干燥后加熱使蔗糖碳化，然后用HCl溶液洗去納米氧化鎂，即得硅-多孔碳電極材料。

其中：

所述硅粉與氧化鎂粉的質量比為1：(1.0-4.0)。

硅粉與蔗糖的質量比為1：(1.0-5.0)。

所述氧化鎂粉的粒徑為10-500nm。

所述蔗糖溶液的濃度為0.02-0.50g/mL。

所述高溫碳化的溫度為700℃以上，保溫3-10小時。

所述硅-多孔碳電極材料應用在鋰離子電池負極中。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的硅-多孔碳電極材料循環(huán)穩(wěn)定性好、倍率性能優(yōu)異、制備成本低且環(huán)境友好。

本發(fā)明通過氧化鎂模板造孔，獲得的硅-多孔碳電極材料，容量保持率和高倍率充放電性能均高于純硅顆粒和未用氧化鎂模板造孔制備的硅碳復合材料。

附圖說明

圖1為使用氧化鎂模板造孔制備的硅-多孔碳材料的透射電鏡圖片；

圖2為未使用氧化鎂模板制備的硅-碳材料的透射電鏡圖片；

圖3為使用氧化鎂模板造孔制備的硅-多孔碳材料、未使用氧化鎂模板制備的硅-碳材料的孔徑分布曲線；

圖4為使用氧化鎂模板造孔制備的硅-多孔碳材料和商品納米硅顆粒、未使用氧化鎂模板制備的硅-碳材料的電化學循環(huán)穩(wěn)定性對比；

圖5為使用氧化鎂模板造孔制備的硅-多孔碳材料和商品納米硅顆粒、未使用氧化鎂模板制備的硅-碳材料的倍率性能對比。

具體實施方式

本發(fā)明所述的硅-多孔碳電極材料，所述的硅-多孔碳電極材料為納米硅顆粒分散在多孔碳支架上，具有4-500nm的孔結構，比表面積為180-400m²/g。

本發(fā)明還提供了所述的硅-多孔碳電極材料的制備方法，具體為：將納米硅粉與納米氧化鎂粉末的混合物超聲分散于蔗糖溶液中，干燥后加熱使蔗糖碳化，然后用HCl溶液洗去納米氧化鎂，即得硅-多孔碳電極材料。

所述納米硅粉和蔗糖的質量比為1：1.0-5.0。當樣品納米硅粉的比例增加時，復合電極材料的充放電容量提高，但是當硅和蔗糖的比例高于1:1時，復合電極材料中的碳含量過低，不容易形成聯(lián)絡的網(wǎng)狀結構。所述納米硅粉和蔗糖的優(yōu)選質量比為1：1.5-3.0。