[發明專利]一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201710653570.4
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107482193B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 朱麗麗;王輝;樊少娟
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;B82Y30/00;H01M10/0525
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 金凱

本發明公開一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料及制備方法，復合材料包括鎳納米顆粒、Si₂Ni納米物質及硅納米線，鎳納米顆粒尺寸在10?30nm，Si₂Ni尺寸在20?40nm，硅納米線的直徑為1?500nm，長度為5?200μm。復合材料中的硅納米線是利用氧化物輔助合成得到的，是在沒有金屬催化劑的條件下，以硅及硅的氧化物作為原料，采用直接熱蒸發的方法制得；再利用溶液化學還原法，氫氟酸刻蝕硅納米線表面形成具有還原性的硅氫鍵，在190℃條件下與鎳鹽反應，得到鎳納米顆粒修飾的硅納米線復合材料，其中還包含Si₂Ni納米物質在其表面生成。硅基材料在室溫下非常穩定，通過氧化輔助還原法時所采用的載氣流量、反應溫度和時間來加以調控，且本發明工藝簡單，重復性好。

技術領域

本發明屬于納米復合材料領域，具體是一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料及制備方法。

背景技術

近十年來，通過對新電極材料和新存儲機理的開發研究，基于鋰的可重復充電技術得到了飛躍發展，電池性能不斷提高。得益于納米技術的不斷探索發現傳統電池材料存在的許多重難點問題有望得到解決。對于地球上蘊含量非常豐富的硅材料，作為鋰離子電池負極材料具有非常高的理論克容量(4200mAh/g)，但是硅的電導率低，并且循環時會產生巨大的體積變化，使得材料的循環性能非常差，這限制了硅材料在鋰離子電池負極材料中的應用。傳統嵌入式電極材料在充放電過程中的體積變化較小。而對于新型的高容量電極材料而言，由于充放電過程中，大量的Li物質嵌入和脫嵌，發生巨大的體積變化。經過多次循環之后，活性顆粒和電極材料會開裂和破碎，影響電學傳導，并造成容量降低，最終導致電池失效，大大縮短了電池的使用壽命。據報道，合金型負極材料的體積膨脹率中，Si為420％，Ge和Sn為260％，P為300％，而傳統的石墨負極只有10％。而納米材料一個天然優勢就在于，其尺寸較小，可以在顆粒和電極層面上有效抵抗力學上的破壞。高容量電極材料有一個基本參數，叫做臨界破碎尺寸，這個參數值取決于材料的反應類型(例如合金反應，轉化反應)、力學性能、結晶度、密度、形貌以及體積膨脹率等一系列參數。電化學反應速率對于顆粒的開裂和破碎影響重大，充放電速率越快，產生的應力越大。當顆粒尺寸小于這個臨界尺寸時，鋰化反應引起的應力將得到有效控制，從而緩解顆粒的開裂和破碎行為。有研究結果表明，Si納米柱的臨界尺寸是240-360nm，Si納米線的臨界尺寸是300-400nm這一區間范圍主要是受到電化學反應速率的影響。晶化Si納米顆粒的臨界尺寸大約是150nm。因此，顆粒的破碎問題可以通過使用低于臨界尺寸的各種納米結構來實現，譬如納米柱、納米線、納米顆粒、納米管、納米棒、以及納米復合材料等。至于電極的破碎問題主要是采用一系列膠粘方法將Si納米顆粒粘結在集流體上實現的。而且針對Si負極，主要采用空心包裹的策略來實現SEI膜的穩定，這樣的結構設計，既提供了電解液阻隔層，又為活性顆粒的體積膨脹預留了空間，電池性能從而得到有效地提高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術單獨使用硅材料作為鋰離子電池的負極材料時具有循環性能差的缺點，較充分地發揮硅基負極材料高容量的優勢，提供一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料及制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料，所述復合材料包括鎳納米顆粒、Si₂Ni納米物質及硅納米線，所述鎳納米顆粒尺寸在10-30nm，Si₂Ni尺寸在20-40nm，所述硅納米線的直徑為1-500nm，長度為5-200μm。

本發明的另一個目的在于提供一種鎳納米顆粒及硅鎳納米物質共同修飾的硅納米線復合材料的制備方法，包括以下步驟：