[發明專利]一種以纖維素/二氧化硅氣凝膠為前驅體的硅氧碳負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110732070.6
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113410450A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 王莉;徐敏祥;魏加強
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉丹丹

本發明提供了一種以纖維素/二氧化硅氣凝膠為前驅體的硅氧碳負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池技術領域。本發明以纖維素/二氧化硅復合氣凝膠為前驅體，纖維素具有可再生、低碳環保等優點，二氧化硅氣凝膠也具有來源廣泛、可再生、可生物降解等優點。因此，本發明有利于推動環境友好、成本低廉的硅氧碳負極材料的大規模生產。此外，纖維素/二氧化硅復合氣凝膠具有密度低、孔隙率高以及吸附性能強等優點，以纖維素/二氧化硅復合氣凝膠為前驅體制備的硅氧碳負極材料繼承了氣凝膠的優點，具有三維多孔結構和較大的比表面積，有利于提高硅氧碳負極材料的比容量和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種以纖維素/二氧化硅氣凝膠為前驅體的硅氧碳負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著新能源汽車的飛速發展，傳統鋰離子電池已愈發無法滿足動力電池對高能量密度及長循環壽命的需求。在眾多改進方法中，提升負極材料比容量對提升電池能量密度具有重要意義。石墨作為主流的商業化負極材料，具有電壓平臺低、循環穩定等優點，但目前商業化的鋰離子電池的石墨負極的理論容量低，僅為372mAh/g，其較低的可逆比容量還無法滿足下一代鋰離子電池的需求。因此為了開發高能量以及高功率的鋰離子電池，提高鋰離子電池的負極材料容量是解決鋰離子電池應用的關鍵性問題。

在眾多負極材料中，硅的理論容量最高，Li和Si形成合金Li_xSi(0x≤4.4)；很多學者認為在常溫下，硅負極與鋰合金化產生的富鋰產物主要是Li_3.75Si 相，容量高達3572mAh/g，但伴隨著巨大的體積變化，其體積膨脹高達280％，硅的粉化致使電極結構失穩而失效，導致電極結構的崩塌和活性材料剝落而使電極失去電接觸，電極的容量隨之大幅度下降甚至完全失效。特別是普通純硅，循環穩定很差，循環5次后容量就從3000mAh/g以上降到幾乎為零。此外，硅的導電性差使得其作負極材料時理論容量不能完全釋放。目前主要的解決方法降低硅材料的粒徑尺寸，但是這種方法復雜，產率低，此外納米尺寸的硅材料價格昂貴，因此難以大規模生產利用。碳負極材料在充放電過程中體積變化相對較小，具有較好的循環穩定性能，而且其本身是電子的良導體，此外硅與碳的化學性質相近，二者能緊密結合。因此硅碳結合的負極材料引起了眾多研究工作者的關注，其中硅碳以Si-O-C方式結合的負極材料的理論容量可達920mAh/g，遠大于石墨的理論容量，這種具有優異化學和物理性質的Si-O-C材料成為眾多科學工作者的研究對象。

目前，大多數制備硅氧碳負極材料的工藝較為復雜，生產成本高，不便于大規模生產利用，因此，開發一種生產工藝簡單，成本低廉，循環穩定性好的硅氧碳負極材料成為亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種以纖維素/二氧化硅氣凝膠為前驅體的硅氧碳負極材料及其制備方法，本發明的方法簡單、成本低廉，且制備的硅氧碳富集材料具有較高的比容量和良好的循環穩定性。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種以纖維素/二氧化硅氣凝膠為前驅體的硅氧碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：

將堿性硅溶膠、纖維素溶液和有機硅烷混合，形成纖維素/二氧化硅復合水凝膠；

將所述纖維素/二氧化硅復合水凝膠干燥后，得到纖維素/二氧化硅復合氣凝膠；

將所述纖維素/二氧化硅復合氣凝膠進行碳化處理，得到硅氧碳負極材料。

優選的，所述堿性硅溶膠中二氧化硅粒子的粒徑為5～100nm。

優選的，所述有機硅烷為甲基三甲氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四丙氧基硅烷或雙1,2三甲氧基硅基乙烷。

優選的，所述堿性硅溶膠與有機硅烷的質量比為1:(0.1～5)；所述堿性硅溶膠的質量濃度為5～50％。

優選的，所述纖維素溶液中纖維素與堿性硅溶膠的質量比為1:(1～10)。