[發(fā)明專利]一種中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN107482188B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 米宏偉;楊曉丹;張培新
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳市君勝知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

本發(fā)明公開一種中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，包括步驟：將升華型聚合物或分解型聚合物溶解于溶劑中，并攪拌1~2 h，得到聚合物溶液；將無機(jī)納米粒子加入到所述聚合物溶液中，并攪拌或球磨24 h以上后，得到聚合物包覆的無機(jī)納米粒子；配制包含所述聚合物包覆的無機(jī)納米粒子、導(dǎo)電聚合物單體和引發(fā)劑的聚合反應(yīng)體系進(jìn)行聚合反應(yīng)，得到包覆兩層不同聚合物的復(fù)合材料；將復(fù)合材料置于惰性氣氛下進(jìn)行熱處理，得到中空結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米粒子/碳復(fù)合材料。本發(fā)明基于聚合物熱穩(wěn)定性差異，通過一步碳熱法構(gòu)筑的中空核殼結(jié)構(gòu)，不僅緩解了無機(jī)納米粒子的體積效應(yīng)，同時(shí)保持了材料結(jié)構(gòu)完整。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池材料領(lǐng)域，尤其涉及一種中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池作為動(dòng)力電池廣泛應(yīng)用于新能源汽車，但是鋰離子電池的安全性能、能量密度、大倍率性能和循環(huán)壽命還需要進(jìn)一步提高，目前還沒有一種材料能夠完全滿足汽車動(dòng)力系統(tǒng)對鋰離子電池提出的要求。當(dāng)前，碳材料(以石墨為例)憑借較高的工業(yè)成熟度和低廉的成本，成為目前主流的商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料。石墨的比容量已經(jīng)達(dá)到極限外(372mAh·g^-1)，其較低的脫鋰電位(僅為0.05V)會(huì)造成安全問題，限制了石墨在大容量電池中的應(yīng)用。鋰離子電池負(fù)極材料中，合金(如Si,Sn,Al)和金屬氧化物(如Fe₃O₄,SnO₂)一般具有較高的容量密度，然而在合金化過程中，電極材料的體積發(fā)生巨大膨脹，導(dǎo)致電極材料粉化，以致電池容量迅速衰減并失效。例如具有最高的理論比容量的硅(4200mAh·g^-1)被認(rèn)為最有希望替代石墨成為下一代的鋰離子電池負(fù)極，但是其充放電過程中體積膨脹大于300％，循環(huán)穩(wěn)定性差等，限制了它的商業(yè)化應(yīng)用。

針對以上缺陷，從結(jié)構(gòu)入手，改性的策略主要有納米化，復(fù)合化處理和設(shè)計(jì)空隙結(jié)構(gòu)，因此中空核殼結(jié)構(gòu)(或稱蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu))的負(fù)極材料成為一個(gè)主要的研究方向。當(dāng)前中空核殼結(jié)構(gòu)材料的制備主要采用膠體模板法，其制備過程包括以下三步：(1)預(yù)先制備或原位生成容易去除的模板材料，(2)在模板材料上包覆一層目標(biāo)材料形成核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，(3)選擇合適的蝕刻劑去除模板材料形成中空核殼結(jié)構(gòu)材料。但這種制備方法很難控制，其技術(shù)瓶頸是蝕刻過程會(huì)一定程度破壞目標(biāo)材料的微結(jié)構(gòu)，尤其目標(biāo)材料是晶體材料時(shí)，酸堿蝕刻劑對晶體結(jié)構(gòu)的破壞作用會(huì)導(dǎo)致其特殊功能嚴(yán)重劣化。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，旨在解決傳統(tǒng)凝膠模板法制備中空核殼結(jié)構(gòu)(蛋黃-蛋殼結(jié)構(gòu))負(fù)極材料工藝對材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞和特殊功能劣化的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其中，包括步驟：

A、將升華型聚合物或分解型聚合物溶解于溶劑中，并攪拌1～2h，得到聚合物溶液；

B、將無機(jī)納米粒子加入到所述聚合物溶液中，并攪拌或球磨24h以上后，經(jīng)分離、洗滌、干燥后，得到聚合物包覆的無機(jī)納米粒子；

C、配制包含所述聚合物包覆的無機(jī)納米粒子、導(dǎo)電聚合物單體和引發(fā)劑的聚合反應(yīng)體系進(jìn)行聚合反應(yīng)，然后經(jīng)洗滌、干燥后，得到包覆兩層不同聚合物的復(fù)合材料；

D、將包覆兩層不同聚合物的復(fù)合材料置于惰性氣氛下進(jìn)行熱處理，得到中空結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米粒子/碳復(fù)合材料。

所述的中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其中，步驟A中，攪拌的溫度控制在0～30℃。

所述的中空核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，其中，步驟A中，所述升華型聚合物為石蠟(PF)，所述分解型聚合物為聚乙烯亞胺(PEI)和聚乙二醇(PEG)。