[發明專利]利用靜電紡絲制備鋰離子電池g-C3

有效

• 申請號: 201811201354.7
• 申請日: 2018-10-16
• 公開（公告）號: CN109524639B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 沈楷翔;陳和冬;侯賢華
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;D01D5/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉瑜;裘暉

本發明公開了一種利用靜電紡絲制備鋰離子電池g?C₃N₄/硅碳負極材料的方法。該方法包括如下步驟：(1)將聚乙烯吡咯烷酮加入到N,N?二甲基甲酰胺中，得到聚乙烯吡咯烷酮溶液；(2)將納米硅加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，得到混合溶液A；(3)將尿素加入到混合溶液A中，得到混合溶液B；(4)將混合溶液B進行靜電紡絲，得到硅聚合物復合材料；(5)將硅聚合物復合材料置于惰性氣體環境中，升溫至200～400℃恒溫保持3～6小時，然后升溫至500～700℃恒溫保持3～6小時，得到鋰離子電池g?C₃N₄/硅碳負極材料。本發明制備的鋰離子電池g?C₃N₄/硅碳負極材料具體首比容量高、循環穩定以及倍率性能好等優點。

技術領域

本發明屬于能源儲能材料技術領域，特別涉及一種利用靜電紡絲制備鋰離子電池g-C₃N₄/硅碳負極材料的方法及其應用。

背景技術

鋰電池目前廣泛應用于電動汽車、手機、筆記本電腦、智能穿戴設備等便攜式電化學儲能市場。然而，市場主要使用的是以石墨為主的負極材料的鋰電池。然而，隨著市場對鋰電池的能量密度，安全性，可靠性，快速充電和循環穩定性的要求不斷提高，石墨(理論比容量為372mAh g^-1)不能滿足市場需求。為了實現高能量轉換效率和能量密度，高性能電化學儲能技術已成為研究的熱點。中國高度重視二次電池材料和關鍵技術的發展，并將其納入2006～2020年中長期科學和技術發展規劃綱要。在負極材料中，目前最有可能取代石墨作為鋰電池負極材料的硅，其具有以下三點原因：1、硅的理論儲鋰比容量為4200mAh g^-1，在所有能夠合金化且可以儲鋰的元素中，硅的比容量是最高的。2、硅的電壓平臺略高于石墨(約為0.4V)，在低溫充電或快速充電(嵌鋰)時引起表面析鋰的可能性小，安全性能要好于石墨。3、硅的儲備非常充足，其約占地殼總重量的25.7％。而且使用硅作為電池負極材料的成本低，對環境比較友好且無毒。

用硅用作負電極材料時，也會存在一些缺陷。硅在顆粒在嵌鋰時，會導致巨大的體積效應，多次充放電之后會引起電極材料的破裂。隨后，引起強機械應力，電極活性材料和集電器之間的接觸損失，并且活性的硅也發生粉化，從而導致電極的容量的快速衰減。

當硅被電化學儲存用于鋰時，產生固體電解質界面膜，即SEI膜。在脫鋰時，硅顆粒變小導致SEI膜破裂，從而使新的硅表面暴露并且與電解質接觸。在隨后的多個循環期間，在新暴露的硅表面上產生新的SEI膜。這些SEI薄膜是電子絕緣體(用于鋰離子的導體)，其對循環性能具有很大影響并且可以導致材料的阻抗升高。從而降低電極材料的電化學活性。

因此要改善硅材料的電化學性能，必須降低材料的體積變化和降低硅與電解液的直接接觸，通過對材料的優化和改性使材料更實用化。針對以上硅基負極存在的問題，國內外已有的相關研究工作主要體現在以下幾個方面：1、從硅的結構形態出發，減小硅顆粒尺寸以降低由于體積膨脹積累的應力，設計制備各種形貌的納米硅，多孔硅及硅薄膜材料。2、以硅為基體，采用物理化學的方法與活性和非活性基體復合制備各種硅基復合材料。提高硅基負極的電子電導和鋰離子的傳輸，通過二元復合增加硅表面的界面穩定性。此外，從集流體，電解液和粘結劑出發提高硅與集流體的電接觸，改善硅的界面形成穩定的界面膜也是研究的重要方向。

發明內容

本發明的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種利用靜電紡絲制備鋰離子電池g-C₃N₄/硅碳負極材料的方法。

本發明的另一目的在于提供所述利用靜電紡絲制備得到的鋰離子電池g-C₃N₄/硅碳負極材料。

本發明的再一目的在于提供所述利用靜電紡絲制備的鋰離子電池g-C₃N₄/硅碳負極材料的應用。