[發明專利]一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 202010165346.2
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111244430B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 李昱;程智慧;石文華;吳亮;劉婧;陳麗華;王洪恩;蘇寶連
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 齊晨潔

本發明涉及一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料及其制備和應用，上述制備方法包括制備方法包括如下步驟：步驟一、將納米硅顆粒、硼酸、尿素及碳納米管加至第一溶劑中，混合均勻后再將其烘干，隨后將其研磨至混合均勻后再于惰性氣體氣氛下煅燒，得(Si?CNT)@BN；步驟二、將(Si?CNT)@BN及多巴胺加至第二溶劑中，再于超聲和攪拌下反應一段時間，過濾，將過濾獲得的固體于惰性氣體保護下煅燒，得硅碳復合負極材料。本發明中利用具有良好機械性能的BN層作為中間層，以改善常規鋰離子電池硅負極中硅材料存在的充、放電過程中因體積變化而導致的顆粒粉化等問題。

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域，尤其涉及一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料及其制備和應用。

背景技術

石墨負極的理論比容量只有372mAh/g，已經不能滿足人們對鋰離子電池能量密度和功率密度的追求。

對應于Li₂₂Si₄，硅負極因為具有最高的理論比容量(4200mAh/g)及合適的電位～0.37V(vs.Li/Li⁺)和豐富的儲量，因而受到了人們越來越多的關注。

但硅在充放電過程中具有很大的體積膨脹(～400％)，這會導致電極材料的破碎，進而因電失聯而導致電阻增大；且其在使用過程中易不斷消耗電解液形成較厚的SEI膜，這些問題阻礙了硅負極的實際應用。

發明內容

針對上述問題，現提供一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料及其制備和應用，旨在有效解決硅體積膨脹較大的問題。

具體技術方案如下：

本發明的第一個方面是提供一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料的制備方法，具有這樣的特征，包括如下步驟：

步驟一、將納米硅顆粒、硼酸、尿素及碳納米管加至第一溶劑中，混合均勻后再將其烘干，隨后將其研磨至混合均勻后再于惰性氣體氣氛下煅燒，得(Si-CNT)@BN；

步驟二、將(Si-CNT)@BN及多巴胺加至第二溶劑中，再于超聲和攪拌下反應一段時間，過濾，將過濾獲得的固體于惰性氣體保護下煅燒，得硅碳復合負極材料((Si-CNT)@BN@C))。

上述的制備方法，還具有這樣的特征，步驟一中納米硅顆粒和碳納米管的質量比為10:1，硼酸與尿素的質量比為1:4.3，納米硅顆粒與硼酸的質量比在1:0.5-1.5。

上述的制備方法，還具有這樣的特征，步驟一中煅燒溫度為700-850℃，煅燒時間為4.5-5.5h。

上述的制備方法，還具有這樣的特征，步驟二中(Si-CNT)@BN及多巴胺的質量比為1:1-1.5。

上述的制備方法，還具有這樣的特征，步驟二聚合反應時間為1.5-2.5h，煅燒溫度為700-850℃，煅燒時間為1.5-2.5h。

本發明中硅納米顆粒粒徑為60-150nm。

本發明的第二個方面是提供一種根據上述制備方法制備獲得的具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料。

本發明提供的碳硅復合負極材料中利用包覆于(Si-CNT)@BN(由BN層包覆于納米硅顆粒及CNT表面)表面的聚多巴胺層煅燒形成碳層，以包覆于(Si-CNT)@BN表面，從而獲得具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料。

熱重分析表明，本發明提供的上述硅碳復合負極材料中納米硅顆粒的質量百分比為60-80％，CNT的質量百分比為10-20％，BN層的質量百分比為10-20％，碳層的質量百分比為10-20％。

本發明的第三個方面是一種具有雙壁核殼結構的硅碳復合負極材料的應用，具有這樣的特征，用于鋰電池中負極活性材料的制作中。