[發明專利]硅/碳納米管/碳微米線及其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201910905233.9
• 申請日: 2019-09-24
• 公開（公告）號: CN110534725B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 孫慶豐;王漢偉;王超;李彩彩
• 申請（專利權）人: 浙江農林大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 王佳妹

本發明屬于復合材料技術領域，提供了一種硅/碳納米管/碳微米線及其制備方法及應用。該制備方法包括以下步驟：將硅納米粒子加入纖維素溶液中，進行第一次超聲處理，再加入碳納米管，進行第二次超聲處理，獲得混合溶液；將所述混合溶液先冷凍處理，再進行冷凍干燥處理，獲得硅/碳納米管/纖維素微米線氣凝膠；將硅/碳納米管/纖維素微米線氣凝膠進行壓力處理，再在保護氣環境中進行碳化處理，獲得硅/碳納米管/碳微米線。本發明通過簡單的工藝過程制備獲得具有獨特結構的微米線，碳納米管沿著微米線軸向排布互相交織，并與纖維素經碳化處理后形成的碳單質一同形成了籠狀結構，將硅納米粒子牢牢的封裝在其中。

技術領域

本發明涉及復合材料技術領域，具體涉及硅/碳納米管/碳微米線及其制備方法及應用。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電小、無記憶效應和環境友好等眾多優點，已經在智能手機、智能手環、數碼相機和筆記本電腦等消費電子領域中獲得了廣泛地應用，具有最大的消費需求。同時，它在純電動、混合電動和增程式電動汽車領域正在逐漸推廣，市場份額的增長趨勢最大。另外，鋰離子電池在電網調峰、家庭配電和通訊基站等大型儲能領域中也有較好的發展趨勢。

單質硅具有極高的理論容量3579 mAh·g^-1，廣泛的來源和低的工作電壓等優勢被認為是下一代鋰離子電池負極材料最理想的候選材料之一。然而，硅在充放電時，鋰離子的嵌入和脫出過程會造成巨大的體積變化（400 %），使得電極材料的脫落以及不良的電極-電解液接觸，加上硅具有較低的導電性，導致循環性能差、倍率性能不佳和固體電解液界面的不穩定性，最終使硅在商業硅碳電極應用中仍具有很低的含量。

目前，大量的研究往往通過將硅的特征尺寸減小到納米級，設計并構筑多孔或中空的納米結構，并與導電的碳相結合的策略來緩解硅的體積膨脹和導電性低的問題。盡管硅在電極中的含量有所增加，但是這些改性依舊難以達到一個令人滿意的硅含量，電極中硅的含量依舊小于70%。此外，這些復雜的納米構筑大多難以承受工業電極制備過程(如研磨、涂覆和輥壓)中的高機械應力，導致實用性有限，難以商業化。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種可應用于鋰離子電池負極材料的硅/碳納米管/碳微米線，以提高鋰離子電池的倍率性能，循環性能和比容量。

第一方面，本發明提供一種硅/碳納米管/碳微米線的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1：將硅納米粒子加入纖維素溶液中，進行第一次超聲處理，再加入碳納米管，進行第二次超聲處理，獲得混合溶液；

步驟S2：將所述混合溶液先冷凍處理，再進行冷凍干燥處理，獲得硅/碳納米管/纖維素微米線氣凝膠；

步驟S3：將所述硅/碳納米管/纖維素微米線氣凝膠進行壓力處理，再在保護氣環境中進行碳化處理，獲得硅/碳納米管/碳微米線。

可選地，所述步驟S1中，所述硅納米粒子、所述纖維素溶液與所述碳納米管的重量比為（6～14）：（2～100）：（1～4）。

可選地，所述步驟S1中，所述纖維素溶液中的溶劑為水、乙二醇、丙二醇、丙三醇或季戊四醇，溶質為細菌纖維素或植物纖維素。

可選地，所述步驟S1中，所述硅納米粒子的粒徑尺寸為1~500nm。

可選地，所述步驟S1中，所述第一次超聲處理是在溶液溫度為0～15oC、超聲功率為100～1000W的條件下超聲1～30min，所述第二次超聲處理是在溶液溫度為0～15oC、超聲功率為100～1000W的條件下超聲1～30min。

可選地，所述步驟S2中，所述冷凍處理溫度為?193~?5℃，處理時間為12～24h；

所述冷凍干燥處理的時間為24～64h，真空度為1~10 Pa。