[發明專利]一種鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201811550910.1
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109755507A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 肖啟振;吳亞柯;李朝暉;雷鋼鐵
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 蘇州知途知識產權代理事務所(普通合伙) 32299
• 代理人: 陳瑞瀧

本申請涉及一種鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，具體包括：首先通過兩步鎂熱還原二氧化硅氣凝膠制備硅氣凝膠，再將硅氣凝膠與聚合物混合，高溫炭化得到硅氣凝膠/碳復合電極材料。其中硅氣凝膠保持了二氧化硅氣凝膠的三維有序結構，碳能夠均勻負載到硅顆粒表面形成硅/碳氣凝膠。硅氣凝膠的三維有序孔狀結構能夠提供有效的空間，緩解充放電過程中硅的體積改變，抑制電極結構的破壞；碳材料能夠提供良好的電導率，抑制局部極化作用。總之，制備的硅/碳復合氣凝膠負極材料具有較高的比容量和循環穩定性，是一種性能優異的鋰離子電池負極材料。另外制備方法簡單，綠色環保，易于大規模制備。

技術領域

本申請屬于新能源材料制備和應用領域，尤其是涉及一種鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法。

背景技術

伴隨著全球逐漸減少的不可再生能源和日益嚴峻的環境問題，能源危機與環境污染共同威脅著人類社會的生存和發展，新能源的開發和利用刻不容緩。太陽能、風能、地熱及生物能源等成為了新型能源的關注重點。相應地，提高化學電源儲能器件的性能也成為目前的迫切要求。隨著各種便攜式電子設備和混合電動汽車的快速發展和應用，也極大增加了化學電源的需求。目前主要的二次化學電源主要有鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。其中，鋰離子電池因為具有工作電壓高，自放電小，比容量高，污染小，工作溫度范圍寬等特點脫穎而出，成為市場的主流。目前商業化的鋰離子電池負極材料以碳材料為主,其主要缺點是比容量較低。為了進一步提高鋰離子電池的性能，尋找可替代的高容量負極材料成為近期的研究熱點。

硅材料具有超高的理論容量(4200mAh·g^-1)，儲量豐富，脫嵌鋰電位低，是非常有發展前景的鋰離子電池負極材料。目前研究表明此材料在電化學脫嵌鋰過程有較大的體積變化，產生的機械應力會使電極活性材料破碎脫落，從而喪失與集流體的電接觸，造成電化學循環性能下降。另外硅的電導率低，限制了活性材料的利用率。這些缺點都極大地限制了硅作為鋰離子電池負極材料的大規模實際應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：為解決現有技術中的不足，從而提供一種適用于工業應用的高收率的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，包含以下步驟：

S1：將二氧化硅氣凝膠與過量鎂粉均勻混合，在惰性氣氛下高溫反應得到Mg₂Si；

S2：在空氣氣氛下高溫分解Mg₂Si得到硅氣凝膠和氧化鎂混合物；

S3：將硅氣凝膠和氧化鎂混合物酸洗除雜后，干燥得硅氣凝膠；

S4：將硅氣凝膠分散在含有聚合物的溶液中，水浴加熱并攪拌至水完全蒸發后再在保護氣體保護下高溫炭化，得到硅/碳復合氣凝膠。

優選地，本發明的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，S1步驟中所述二氧化硅與鎂的質量比1:1.6-1:4。

優選地，本發明的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，S1步驟中在惰性氣氛下高溫反應得到Mg₂Si后在降溫后再次進行混合。

優選地，本發明的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，S1步驟中所述的惰性氣氛下高溫反應溫度為660-800℃，反應時間8-12h。

優選地，本發明的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，S2步驟中所述的空氣氣氛下高溫反應溫度為500-900℃，反應時間5-12h。

優選地，本發明的鋰離子電池硅/碳復合氣凝膠負極材料的制備方法，S3步驟中所述的酸洗過程中的酸為鹽酸和氫氟酸的混合溶液，其中鹽酸濃度為1-3mol/L；氫氟酸濃度為0.1-1mol/L。