[發明專利]一種超細金屬納米顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202010883700.5
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN114122336A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 劉祥;汪舟鷺;王寧;王奧寧
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種超細金屬納米顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料及其制備方法，包括以下步驟：先制備一種有機聚合物模板，再以該模板為核制備模板/二氧化硅核殼結構復合材料，然后通過高溫裂解除去芯部的模板得到中空結構的二氧化硅納米材料，接著加入鎂粉進行還原反應得到中空結構硅納米材料，最后在鎳鹽溶液和添加劑中獲得超細金屬顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料。采用本方法制備硅碳復合材料用于鋰離子電池負極材料可逆容量高，倍率性能好，循環壽命長。

技術領域

本發明屬于金屬顆粒修飾硅碳復合材料及其制備方法，涉及鋰離子電池負極中空結構硅碳復合材料及其制備方法。

背景技術

在環境污染和能源危機的雙重壓力下，新能源汽車成為未來汽車發展的不可逆轉的趨勢。目前，新能源汽車的發展所遇到的瓶頸是行駛里程短，充電時間長，能源系統造價高。因此，新能源汽車的發展對蓄電池的性能及制造成本提出了更高的要求：要提高新能源汽車的行駛里程，必須提高電池的能量密度；要提高新能源汽車的充電速度，必須提高電池的功率密度。在各種二次電池中，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長等獨特的應用優勢，因而廣泛被人們所看好，進一步提高鋰離子電池的能量密度和功率密度、降低生產成本也成為當前的研究熱點。

作為地殼中第二豐富的元素硅，由于其4200mAh/g的超高理論比容量和較為適中的嵌脫鋰電位(約0.1-0.5V vs.Li/Li⁺)，始終被認為是最有潛力的石墨替代材料。但是，硅作為合金化型負極材料，在充電的過程中(鋰嵌入)，會有將近300％的體積膨脹；放電時(鋰脫出)，體積收縮。這種往復的體積膨脹和收縮，導致負極材料的粉碎、脫落，失去與集流體的有效電接觸，最終失效。

為了解決硅負極材料在充放電過程中容易發生應力開裂引起體積膨脹導致循環性能劣化的問題，一種方法是利用納米硅材料和其他材料的復合物，例如硅碳復合材料，來緩解硅的體積膨脹，從而提高其循環壽命。硅材料自身的導電性差，倍率性能差，直接影響充放電速率，可以通過摻雜超細金屬納米顆粒的方法提高其電傳導性，從而提高電池的倍率性能。

本發明針對硅負極材料在充放電過程中存在的問題，利用模板法和多巴胺輔助還原法，開發了一種超細金屬納米顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超細金屬納米顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料的制備方法，解決上述現有技術問題中的一個或者多個。

本發明提供一種超細金屬納米顆粒修飾的中空結構硅碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)核殼結構的模板/二氧化硅納米復合材料的制備：取3.0-10.0重量份粒徑為90-590nm的有機聚合物微球分散在100重量份水中，攪拌5-20分鐘，緊接著加入含有0.5-0.7重量份十六烷基三甲基溴化銨、39.5-42重量份乙醇、0.8-1.2重量份氨水的混合溶液，攪拌30分鐘。最后將1-2重量份正硅酸乙酯緩慢滴加于上述混合溶液，25-35℃下持續攪拌2-10小時。離心分離、干燥得到白色粉末狀產物，即核殼結構的模板/二氧化硅納米復合材料，粒徑為100-600nm，其中SiO₂層厚度為10-100nm；

(2)中空結構二氧化硅納米材料的制備：將核殼結構的模板/二氧化硅納米復合材料在400-600℃的條件下并在惰性氣體保護下煅燒，得到中空結構二氧化硅納米材料，粒徑為100-690nm；

(3)中空結構納米硅材料的制備：取0.25-0.35重量份中空結構二氧化硅納米材料、0.25-0.35重量份鎂粉在手套箱中研磨混合均勻，所得到的混合物粉末均勻的鋪在氧化鋁方舟內，置于管式爐中，氬氣氛圍下600-680℃反應3-4小時，所得到的產物用1mol/L的鹽酸洗滌除去氧化鎂雜質，最后在真空干燥箱中于70-90℃干燥10-18小時，得到中空結構納米硅材料，粒徑為100-690nm；