[發明專利]氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料的合成方法及其應用

有效

• 申請號: 201811550108.2
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109767928B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 聞濤;梁田;曾仁杰;聶振耘;劉劍雄
• 申請（專利權）人: 武漢紐賽兒科技股份有限公司
• 主分類號: H01G11/30
• 分類號: H01G11/30;H01G11/32;H01G11/36;H01G11/06
• 代理公司: 武漢江楚智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 42228
• 代理人: 鄧寅杰

本發明公開了一種氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料的合成方法及應用，該合成方法以四丙氧基硅烷、全氟磺酸樹脂分散液和碳納米管為主要原料，采用混合、高溫煅燒、反應、后處理制得氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料。本發明合成方法簡單易行，采用含氟有機物對硅基材料進行氟摻雜和碳包覆，同時引入碳納米管，形成氧化硅/碳納米管復合結構，碳納米管的三維網狀結構，能為氟摻雜碳包覆氧化硅硅納米顆粒提供空間間隔，氟摻雜和碳包覆能顯著提高復合材料的電化學性能；采用這種合成方法制得的氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料作為鋰離子混合電容器的負極材料，能顯著提高電容器的循環性能和充放電性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電容技術領域，特別是涉及一種氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料的合成方法及其應用。

背景技術

全球環境污染與能源危機日趨嚴重，開發可持續發展的新型化學儲能裝置迫在眉睫。鋰離子混合電容器由于性能優異而備受關注。鋰離子混合電容器是一種介于鋰離子電池和雙電層超級電容器之間的新型的功率型儲能器件，與鋰離子電池相比其高倍率放電和循環壽命更佳，與雙電層的超級電容器相比能量密度可以提高3-6倍。

電極是鋰離子混合電容器的核心，電極的電化學性能決定了電容器的性能。隨著鋰離子電容器技術的發展，對鋰離子電容器的性能要求越來越高，需具備較高的充放電容量保持率及庫倫效率。而目前鋰離子電容器一般采用石墨等材料作為負極，其電化學性能無法滿足鋰離子電容器性能的要求。

硅由于其較高的理論比容量以及放電電位低、自然儲量豐富等優勢，成為替代石墨的最有潛力的鋰離子電池負極材料。但硅本身存在體積膨脹問題和導電性差的問題，決定了其壽命短、循環性能差的特點。

目前，改善硅負極的一種主要方法是將硅材料納米化，如納米薄膜、納米線、納米顆粒等，納米化的硅可以更好的釋放體積變化產生的應力，同時提供體積膨脹的空間，然而由于硅的本征導電率低，納米化的硅在多次循環后仍然會有較明顯的容量衰減，且電池功率密度也較低。

因此，鋰離子混合電容器的負極材料有待于進一步研究。碳包覆是一種非常有效的改良材料性能的方法，可以提高納米材料的電子導電性和離子傳導性，增大材料的比表面積，使活性材料充分與電解液接觸，提高反應位點，充分利用活性材料。雜原子摻雜可以顯著提高碳基材料的電化學性能，尤其是氟的摻雜被廣泛深入的研究，其可以優化材料的電化學性能，尤其是高倍率充放電性能。碳納米管為三維網狀結構，在軸向上有極高的機械強度，并且能夠幫助電子在軸向快速傳輸，是很好的骨架材料。

因此，有效的結合氟摻雜、碳包覆、硅材料及碳納米管，能夠極大的提高鋰離子混合電容器的充放電性能和循環性能。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料的合成方法及其應用，采用本發明作為鋰離子電容器的負極材料能顯著提高電容器的循環性能和充放電性能。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種氟摻雜碳包覆氧化硅納米顆粒@碳納米管復合材料的合成方法，其不同之處在于，包括如下步驟：

步驟a).將N-甲基吡咯烷酮與pH值已調節至中性的全氟磺酸樹脂分散液混合，蒸餾得到全氟磺酸樹脂/N-甲基吡咯烷酮混合分散液；

步驟b).將多壁碳納米管與濃硝酸混合，在110～130℃回流6～24h，自然冷卻至室溫后抽濾水洗，干燥后加入乙醇/水溶液，超聲1h后，加入步驟a)所得全氟磺酸樹脂/N-甲基吡咯烷酮混合分散液，混合均勻后再加入四丙氧基硅烷，攪拌后得到混合液；

步驟c).向步驟b)所得混合液中加入濃鹽酸，室溫攪拌30～48h后，抽濾，將所得產物水洗后再用乙醇洗滌，于80～100℃真空干燥后得到二氧化硅/全氟磺酸@碳納米管復合物，將所得二氧化硅/全氟磺酸@碳納米管復合物進行煅燒得到前驅體；