[發明專利]容量可控型硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710751367.0
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107611417B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 施利毅;莊先煥;陳國榮;張登松
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/583
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明涉及一種容量可控型硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法。該負極材料是一種具有多孔類石榴結構的Si/SiOx/C復合材料（1≤x≤2），以相互連接的多孔C和SiOx為骨架，Si分布在其中的多孔結構。這種復合材料在電流密度0.1A/g下，容量可以達到600mAh/g以上，循環100周后容量保持不變；在大電流密度2 A/g下充放電循環2000次后，比容量依然保持在390mA/g左右，形貌保持完整。該結果證明：通過控制硅基材料的容量及結構設計完全可以實現長循環壽命的性能指標。

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池容量可調控型硅基負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

當前商業化的鋰離子電池負極材料主要是石墨，石墨的實際比容量已經很接近其理論比容量（372mAh/g），隨著社會的發展，石墨的比容量在許多方面已經很難滿足現實的需求，如在電動車、航空航天和尖端的醫療電子等領域。因此，尋求更高比容量，長循環壽命，安全又廉價的負極材料越來越受人們的關注和重視。

在許多負極材料之中，硅基材料由于擁有非常高的理論比容量，高達4200mAh/g，將近石墨理論比容量的11.3倍之高，另外，硅基材料還具有儲量豐富、來源廣泛、綠色環保等優點，成為取代商業化石墨最有希望的材料之一。但是硅材料在充放電過程中，由于體積的變化導致材料破碎和其容量的迅速衰減，影響了其在鋰離子電池中的實際應用。研究者們采取了許多方法來解決這一難題，例如，把硅基材料做成納米尺度大小，減小硅膨脹的應力；在硅材料表面包覆一層導電物質，抑制硅的膨脹同時增強硅的導電性；把硅基材料設計成多孔結構，為硅的體積膨脹提供空間等設計思路和制備方法上都取得了不小的進展。但硅基負極的容量衰減仍然是其產業化推進的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的之一在于克服現有技術中存在的問題，提供一種容量可控型硅基鋰離子電池負極材料。

本發明的目的之二在于提供該負極材料的制備方法，該方法制備的多孔硅基復合負極材料，可根據需要控制容量與體積膨脹，達到長期循環穩定性，對規?；a有指導意義。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種容量可控型硅基鋰離子電池負極材料，其特征在于該材料是以相互連接的多孔C和SiO₂為骨架，Si均勻分布在其中的石榴狀多孔結構的SiO₂/C復合材料，形成SiO_X/C，其中1≤x≤2， SiO_x和C的質量比為：40~90：60~10。

一種制備上述的量可控型硅基鋰離子電池負極材料的方法,其特征在于, 該方法具有如下步驟：

(1).將二氧化硅納米顆粒和含氨基聚單體按 1：0.2~3的質量比分散在pH= 6-7的水溶液中，攪拌均勻后，緩慢加入過硫酸銨溶液，其中過硫酸銨的質量為含氨基聚單體質量的1～3倍，攪拌下進行聚合反應至過硫酸銨水溶液滴加完成，停止攪拌，冰浴12～36h，過濾、去離子水洗滌至溶液pH值為6～7，干燥，得到自組裝硅基負極材料前驅體；

(2). 將步驟(1)得到的自組裝硅基負極材料前驅體在惰性氣體保護下，加熱至600～900℃燒結2～10h，得到碳復合二氧化硅；

(3). 將步驟(2)得到的碳復合二氧化硅和鎂粉按質量比為1:1，在含有體積百分比含量為5%的H₂的惰性還原氣氛下，加熱至650～800℃燒結0.5～12h，用酸除去生成的氧化鎂或未反應的鎂粉，再過濾、用去離子水洗滌至溶液pH值為6～7，烘干，得到容量可控型硅基鋰離子電池負極材料。

上述的含氨基單體為苯胺、對苯胺或三聚氰胺。

上述的納米二氧化硅是粒徑為7nm～40nm。

上述的酸為鹽酸、硫酸、硝酸或磷酸。