[發明專利]一種金屬包覆的二維硅材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010170528.9
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111354940B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 馮金奎;安永靈;田園
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張曉鵬

本發明涉及一種金屬包覆的二維硅材料及其制備方法和應用。所述制備包括以下步驟：將硅合金放入無機酸與金屬鹽組成的混合液中，加熱反應得到金屬包覆的二維硅材料。本發明將特定的硅合金與無機酸反應生成二維硅和氫氣，而氫氣能將金屬鹽還原為金屬單質，從而包覆在二維硅的表面。本發明制備方法將二維硅的合成和金屬的包覆一體化，簡化合成過程，并且原位產生的金屬包覆結構均勻并且與二維硅之間的作用力強；表面包覆的金屬單質可以大幅提高復合材料的導電性；采用商業化的合金作為前驅體，可以大幅度的降低成本，并且制備過程不需要球磨、高溫煅燒等過程，只需液相反應即可得到產物，因此制備過程簡單高效，適宜大規模生產。

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，具體涉及一種金屬包覆的二維硅材料，所述材料的制備方法及其作為鋰電池負極材料的應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

硅基材料儲量豐富，來源廣泛，當其作為鋰離子電池的負極材料時，具有高的理論容量和低的工作電壓等優點。但是硅負極存在的幾個問題限制了它的商業化：(1)循環過程中產生了巨大的體積變化，造成SEI膜的連續生長，電解液和鋰離子不斷的消耗，電極材料的粉化破碎和電極結構的破壞，使硅負極具有較差的循環性能；(2)硅負極本身具有較差的導電性，限制離子傳輸速率，是電池具有較差的倍率性能。

專利CN107623121B中提供了一種金屬包覆多孔硅復合物電極材料的制備方法，將硅合金粉末投入金屬鹽的無機酸或酒精溶液中，得到一種銅、銻、鋅或鎳包覆的多孔硅復合材料。所述材料應用于電極具有顆粒小、分散均勻的特點，具有良好的電化學性能。發明人認為，設計合理的微觀結構可以有效的解決硅負極存在的問題。二維硅具有獨特的二維層狀結構，可以提高離子傳輸速率、縮短離子傳輸路徑、增大電極和電解液的接觸界面，因此具有較好的電化學性能。此外，由于金屬材料具有高的導電性，將金屬材料包覆在硅基材料表面能夠大幅度的提高復合材料的導電性，獲得良好的儲鋰性能。

發明內容

針對上述研究背景，本發明目的在于提供一種金屬包覆的二維硅材料，并將其作為電池負極材料進行應用。經本發明的研究表明，采用特定的硅合金能夠與無機酸反應得到二維硅形態，通過硅合金與無機酸反應生成的氫氣置換金屬鹽中的金屬單質包覆于二維硅的表面。該制備方法顯著的簡化了二維硅與金屬的包覆過程，并且金屬包覆均勻，作為電池負極材料進行應用具有良好的效果。

基于上述技術效果，本發明提供以下技術方案：

本發明第一方面，提供一種金屬包覆的二維硅材料，所述材料為金屬單質均勻包覆的二維硅材料，電鏡下呈現片層狀態，所述金屬單質包覆層的厚度為2-100nm。

本發明第二方面，提供第一方面所述金屬包覆的二維硅材料的制備方法，所述制備方法包括將硅合金投入金屬鹽的無機酸溶液中，加熱進行反應得到；所述硅合金為ASi₂形式的合金，A代表金屬元素。

本發明研究發現，采用ASi₂形式的合金，即合金中金屬元素(A)與Si的原子比個數為1:2時，在該制備條件下能夠獲得二維硅形式。

本發明第三方面，提供第一方面所述金屬包覆的二維硅材料在制備電池負極材料中的應用。

以上一個或多個技術方案的有益效果如下：

1.所述金屬包覆二維硅材料的制備原料經濟易得，通過簡單的工藝步驟即可實現將金屬單質均勻的包覆于二維硅材料表面，制備得到的金屬包覆結構與二維硅之間具有較強的結合力，使用強度較高，作為電池負極材料進行應用具有良好的電化學性能，經濟意義顯著提升。

2.通過特定原子比的硅合金與無機酸反應能夠得到二維硅材料和氫氣，同時氫氣將金屬鹽溶液中的金屬單質還原后即可均勻的包覆于硅表面，該研究的結論對于金屬包覆二維材料的開發具有重要的借鑒意義。