[發明專利]一種制備超組裝的硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料的方法

在審

• 申請號: 201911393234.6
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111180687A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 楊金虎;陳炳杰;祖連海
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 顧艷哲

本發明涉及一種制備超組裝的硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料的方法，將硅烷和三苯基錫化氫在室溫下密封于石英管中，將石英管置于馬弗爐中，以每分鐘5℃的速率升溫至200℃，并保持2小時，隨后以每分鐘10℃的速率升溫至800℃，并在800℃的環境下保持5小時，最后在石英管中注入乙醇超聲震蕩，離心得到黑色粉末最終產物。與現有技術相比，本發明采用的方法合成的硅納米點碳骨架材料具有高可逆儲鋰容量、卓越的循環性能以及優異的循環性能。

技術領域

本發明涉及一種結構可控的無機材料的制備方法，尤其是涉及具有出色鋰電性能的由空間限域原子簇催化的策略一步制備得到超組裝的硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料的方法。

背景技術

對于便攜式電子設備和電動/混合動力車輛中的應用，開發具有更高能量容量和更長循環壽命的可再充電鋰離子電池(LIB)的強烈需求。然而，使用具有低比容量的石墨陽極的現有LIB不能滿足嚴格的要求。由于其理論鋰儲存容量高(Li₂₂Si₅為4200mAh g^-1)，Si被認為是最有希望的負極材料之一，約為商用石墨容量的十倍，以及其適度的鋰吸收潛力(0.4V vs Li/Li⁺)和天然豐度。然而，在充電/放電過程中Si電極的嚴重的體積變化(～400％)經常引起電極粉碎和活性材料損失，從而導致電池的整體性能劣化。另外，作為半導體材料，Si還具有低電導率和差的電子傳輸。為了解決問題，已經將具有良好導電性和優異機械性能的碳材料強烈地引入到Si基陽極中以適應體積變化并同時改善電極的電導率。先前報道的通過兩種組分的物理混合制備的Si/C復合材料經常引起弱的界面相互作用和兩種組分的不均勻分散，這對界面處的電子轉移和復合陽極的循環穩定性不利。

值得注意的是，基于金屬催化劑的化學氣相沉積(CVD)策略，其中催化劑納米顆粒分散在必要的基底上作為用于原位生長具有氣-液-固(VLS)機制的Si納米線的催化位點，提供了均勻的良好可能性。將Si錨固成Si/C復合材料中的碳基體。然而，將金屬催化劑引入碳基質主要是通過物理濺射或化學沉積的額外操作，遇到復雜的工藝和金屬催化劑的不良分布。此外，Si的催化生長主要在無限制空間內進行，不間斷的Si源進料，導致Si的過度生長和長納米(數百納米～微米)的Si納米線的形成。此外，在大多數情況下，所用的催化劑是具有相對大直徑的納米顆粒的形式，根據催化生長機理，其導致產生大直徑Si納米線(超過50nm)。原則上，具有長長度和大直徑的Si納米線不利于通過Si-碳界面從Si到集電器的電子轉移和Si的體積變化抑制。因此，非常需要開發用于制造具有用于高性能LIB的有利結構的Si/C復合材料的簡單且有效的金屬催化策略。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具有出色鋰電性能的由空間限域原子簇催化的策略一步制備超組裝的硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料的方法，解決了現有技術中無法控制Si顆粒大小以及Si負極材料在循環過程中穩定性差的技術問題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種制備超組裝的硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料的方法，包括：

將硅烷與三苯基錫化氫混合并密封在反應器中；

將反應器置于馬弗爐中，控制升溫速率進行高溫反應；

在反應器中注入乙醇超聲震蕩，離心得到硅納米點嵌入碳骨架儲鋰材料。

所述硅烷為一苯基硅烷、二苯基硅烷、三苯基硅烷或四苯基硅烷。

進一步的，所述硅烷采用二苯基硅烷。原因在于有較高Si含量的同時，碳材料也能均勻的分布在Si顆粒旁邊，將Si顆粒限制在較小的尺寸內。

所述硅烷與三苯基錫化氫按Si:Sn的摩爾比為10:1～20:1的比例進行混合。

進一步的，所述硅烷與三苯基錫化氫按Si:Sn的摩爾比為15:1的比例進行混合。