[發明專利]一種高性能硅氧化物基復合材料的制備及應用

有效

• 申請號: 202010776615.9
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111916705B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 周小中;祁趙一;田繼斌;劉明霞;雷自強
• 申請（專利權）人: 西北師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/42;C01B32/182
• 代理公司: 蘭州智和專利代理事務所(普通合伙) 62201
• 代理人: 張英荷

本發明提供了一種高性能硅氧化物基復合材料的制備方法，是將硅氧化物與金屬粉末混合，球磨，得到硅氧化物基前體材料；所述金屬粉末為Fe、Fe?Cr合金粉、Fe?Ni合金粉或Fe?Cr?Ni合金粉；將硅氧化物基前體材料加入石墨烯溶液中，攪拌，超聲后將其攪干，在惰性氣氛下，于400~800℃退火2~6小時，得到石墨烯復合的硅氧化物基復合材料。該復合材料用作鋰離子電池負極材料，具有良好的電化學性能和優異的循環穩定性，且制備工藝簡單，因此具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于復合材料領域和鋰離子電池技術領域，具體涉及一種高性能硅氧化物基復合材料的制備方法，主要用于鋰離子電池負極材料。

背景技術

鋰離子電池（Lithium Ion Battery，簡稱LIB）具有能量密度高、循環壽命長以及環境友好等特點，成為最受關注的儲能設備之一。他們不僅占領了手機、筆記本電腦和數碼相機等便攜式電子產品的市場，也是電動汽車行業的首選電源。這對鋰離子電池在性能上提出了更高的要求，因此，追求具有高理論容量的新型電極材料變得非常重要。在負極材料方面，硅由于理論容量高（4200mAh g^-1）、氧化還原電位低（~0.4v）等特點成為最具潛力的鋰離子電池負極材料。但是硅在鋰離子嵌入與脫出過程中會引起的巨大體積變化(~400%)以及納米硅制造過程中的超高成本，都嚴重限制了硅負極材料的廣泛應用。

近年來，硅氧化物（SiO_x, 0＜x≤2），以SiO為主，由于其儲量豐富、低成本、易于合成，擁有較理想的理論容量（2200?2500 mAh g^?1）、以及與純硅相比相對較小的體積膨脹引發了科研工作者的極大興趣，有望替代硅實現商業化應用。盡管具有以上優點，但一氧化硅電導率低，僅有6.7×10^-4 S cm^-1，至使倍率性能不佳；仍存在200%的體積膨脹，造成容量快速衰減；首次循環可逆容量損失大。嚴重限制了一氧化硅在鋰離子電池中的廣泛應用。為了解決上述問題，一個很有前途的策略就是將其與導電性能良好的材料進行復合，制造二元或多元復合材料。如與金屬或碳材料復合，這些材料優異的導電性能彌補了一氧化硅本征電導率低的缺陷，碳又具有強的機械性能可以緩解由充放電過程引起的體積膨脹，減少電極副反應的發生，提高一氧化硅基電極的電化學性能。

Fe、Cr、Ni為過渡金屬，電導率高，而還原氧化石墨烯（rGO）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面二維材料，已經被證實是一種理想的材料，在Fe、Cr、Ni提高導電性的同時，rGO的片層柔韌性可以緩沖電極材料在循環過程中的體積膨脹，改善電極材料的電化學性能。

文獻1（Electrochemical Properties and Chemical Structures of Metal-Doped SiO Anodes for Li-Ion Rechargeable Batteries，Journal of TheElectrochemical Society, 2007, 154, 4: A376-A380)公布了一種以共沉積法實現金屬在SiO中的摻雜。該工藝方法相對復雜，較難實現大規模生產。

發明內容

本發明的目的是提供一種簡單且適用于大規模工業生產的高性能硅氧化物基復合材料的制備方法，主要用于鋰離子電池負極材料。

一、硅氧化物基復合材料的制備

本發明高性能硅氧化物基復合材料的制備方法，包括如下步驟：