[發明專利]一種雙核殼硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910760016.5
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110518205A
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發明（設計）人: 劉杰;何瑤;張揚;鄭勝軍;陳令;王德齊
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 32203 南京理工大學專利中心
• 代理人: 趙毅<國際申請>=<國際公布>=<進入國

本發明為一種雙核殼硅基鋰離子電池負極材料的制備方法，該方法為晶體硅與原硅酸四乙酯在十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑、氨水為催化劑的作用下發生水解反應合成Si/SiO₂粒子；將第一步合成的Si/SiO₂粒子與氮摻雜的碳源加入溶劑為水?乙醇的混合溶液中，經超聲、磁力攪拌后得到混合均勻的溶液；最后過夜冷凍干燥；將干燥的復合粒子在氬氣氣氛下以5℃/min的升溫速率高溫煅燒得到最終產物Si/SiO₂/NC復合材料。本發明制備方法簡單，可操作性強；鋰離子電池具有高容量、良好的倍率性能和長壽命，第四點保證了實驗的具體可行性。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料，尤其涉及一種雙核殼硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

高性能鋰離子電池(LIB)對于移動電話和筆記本電腦等便攜式電子設備至關重要，它們也顯示出電動交通系統的巨大潛力，包括電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)。目前商用的鋰離子負極材料石墨，其理論容量較低(372mAh g^-1)且循環性能差無法滿足快速發展的電子設備的電力需求。為滿足高容量鋰離子電池的需求，研發一種的高容量鋰離子電池負極材料是十分迫切和必要的。

在目前研究的負極材料中，硅是下一代鋰離子電池負極材料有希望的候選者，因為(1)它具有鋰離子電池負極材料中最高理論比容量(4200mAh g^-1)，大約是目前的商用石墨負極的十倍。(2)相比于石墨電極的低脫鋰電位(0.05V vs.Li/Li⁺)，硅具有較低的脫鋰電位(0.37V vs.Li/Li⁺)。(3)硅在地殼中，它是第二豐富的元素且無毒無害，使得大規模工業生產成為可能。(4)充電時難引起表面析鋰，安全性能更好。盡管有以上優點，但仍有兩大難題阻礙了硅負極的大規模商業化應用。硅負極在充放電過程中容易體積膨脹，約為300％。由于重復的體積膨脹和收縮引起的大應力會導致材料粉化、結構坍塌，然后擴散并導致活性材料和集電器之間的電接觸的降低，進而導致鋰離子電池負極的容量衰減，最終導致鋰離子電池循環性能不好。

發明內容

本發明的目的是提供一種雙核殼硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法，進而提高鋰離子電池的循環壽命及倍率性能。

實現本發明的技術解決方案為：一種雙核殼硅基鋰離子電池負極材料及其制備方法，具體實施步驟如下：

第一步：晶體硅(Si NPs)與原硅酸四乙酯(TEOS)在十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑、氨水為催化劑的作用下發生水解反應合成Si/SiO₂粒子；

第二步：將第一步合成的Si/SiO₂粒子與氮摻雜的碳源(氨基葡萄糖)加入溶劑為水-乙醇的混合溶液中，經超聲、磁力攪拌后得到混合均勻的溶液；最后過夜冷凍干燥；

第三步：將干燥的復合粒子在氬氣氣氛下以5℃/min的升溫速率高溫煅燒得到最終產物Si/SiO₂/NC復合材料。

第一步，本發明所選用的硅單質為納米尺度(40-50nm)，合成的二氧化硅殼厚度可根據硅源溶度控制。晶體硅與原硅酸四乙酯的質量比為1:6，十六烷基三甲基溴化銨：氨水體積比＝1:48；

第一步，合成條件為40℃水浴下磁力攪拌6h；

第二步，本發明合成的Si/SiO₂/NC材料所需的Si/SiO₂粒子和氨基葡萄糖的質量比為1:1—1:2；

第二步，合成條件為在水浴中超聲2h，磁力攪拌1h，冷凍干燥72h；

第三步，在氬氣氣氛中800℃煅燒2h，升溫速率為5℃/min。