[發明專利]一種交聯殼聚糖衍生硅碳負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110171259.2
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN112993224A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 張賢;楊宇航;丁瑜;王鋒;付爭兵;杜軍;楊雄;余鏈
• 申請（專利權）人: 湖北工程學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 陳曉寧;王敏鋒

本發明公開了一種交聯殼聚糖衍生硅碳負極材料及其制備方法，制備方法包括：在去離子水中加入乙酸形成乙酸溶液，再加入殼聚糖進行攪拌，充分溶解后加入納米硅粉，在超聲狀態下攪拌使之分散均勻，不加入或加入適量的納米炭材料作為導電劑，隨后滴加交聯劑形成含硅殼聚糖凝膠，然后去除溶劑，制得交聯殼聚糖包覆納米硅前驅體；所述的交聯殼聚糖包覆納米硅前驅體經過空氣中預氧化、惰性氣氛中高溫熱處理，即可制得交聯殼聚糖衍生硅碳負極材料。本發明具有原料簡便易得、工藝簡單、制備周期較短、制備的硅碳負極材料結構穩定、電化學性能良好等特點。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，尤其涉及一種交聯殼聚糖包覆納米硅衍生硅碳負極材料及其制備方法。

背景技術

目前，鋰離子電池廣泛采用石墨類負極材料，其理論比容量僅372mAh·g^-1，市面上性能較好的石墨負極材料已經能達到360mAh·g^-1，比容量逐漸趨于極限值，難以滿足更高的要求。而硅的理論比容量高達4200mAh·g^-1，嵌鋰電位低于0.5V，在地殼中質量豐度高達26.3％，環境友好，是下一代鋰離子電池負極材料的主要備選材料。然而硅在充放電過程中的巨大體積效應會導致電極粉化，形成不穩定的SEI膜，造成電池容量的急劇衰減，阻礙了其商業化進程。將硅材料納米化可以一定程度減緩體積效應，使離子傳輸距離變短，極化減小，但由于納米硅顆粒的團聚，其改善效果并不明顯。將硅和碳復合制備成的負極材料能防止納米硅團聚，維持其分散性。另外，良好的碳包覆還能夠減少硅材料與電解液直接接觸，抑制SEI的過度生長，穩定界面，可以降低嵌入硅顆粒中鋰離子的數量和速率，從而極大的減緩材料的體積效應。因此，硅碳復合材料能充分發揮硅材料的高比容量和碳材料的高穩定性。(Shen X,Tian Z,Fan R,et al.Research progress on silicon/carbon compositeanode materials for lithium-ion battery[J].Journal of Energy Chemistry,2018,27(4):1067-1090.)。

硅碳復合材料由硅源和碳源兩部分組成，需要進行工藝設計將兩部分按一定結構組合起來，理想的硅碳復合材料能將納米硅顆粒高度均勻分散在以碳為外殼或骨架的結構中。可以采用納米硅為硅源，以軟化點低、殘碳率高的煤瀝青作為碳源，通過兩步包覆法制備煤瀝青基硅/碳復合物，硅納米粒子被碳包覆并相互連結成C-Si-C網絡結構，其中硅含量為27％的硅/碳復合物作為鋰電池電極材料表現了良好的儲鋰性能(王金瑩,曲江英,李杰蘭,等.二次包覆法制備煤瀝青基硅/碳復合物及其鋰離子電池性能[J].應用化學,2020,37(5):562-569.)。以葡萄糖為碳源，多元F127為成孔劑，在硅納米顆粒存在下，采用水熱法和軟模板法制備的納米結構硅/多孔碳球形復合材料，擁有納米級的多孔碳殼層，具有良好的電化學動力學性能(Shao D,Tang D,Mai Y,et al.Nanostructured silicon/porouscarbon spherical composite as a high capacity anode for Li-ion batteries[J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(47):15068-15075.)。另外，采用電噴霧法制備含有硅納米粒子、碳納米管和炭黑的聚苯乙烯-聚乙烯吡咯烷酮混合聚合物溶液，并對其進行熱處理，得到具有離子和電子導電骨架的硅嵌孔碳微球，能夠有效緩解硅的體積膨脹，還可以加速離子和電子的傳輸速度(Liang G,Qin X,Zou J,et al.Electrosprayedsilicon-embedded porous carbon microspheres as lithium-ion battery anodeswith exceptional rate capacities[J].Carbon,2018,127:424-431.)。