[發(fā)明專利]用作鋰離子電池負極材料的蜂窩結構微/納米尺寸硅/碳復合材料的制備及產品和應用

在審

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• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113594438A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設計）人: 崔大祥;李天昊;周霖;李夢飛;張芳;葛美英;王亞坤;盧玉英
• 申請（專利權）人: 上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 上海東亞專利商標代理有限公司 31208
• 代理人: 董梅

本發(fā)明提供了一種用作鋰離子電池負極材料具有蜂窩結構的微米/納米尺寸硅/碳復合材料的制備方法及其產品和應用，以商業(yè)化微米級硅粉和聚丙烯腈為原料，通過簡易的混合攪拌等過程得到Si/PC50多孔復合材料，該復合材料能夠有效提高電極材料的循環(huán)性能和倍率性能。該制備工藝比較簡單，容易操作。

技術領域

本發(fā)明設計了一種鋰離子電池負極材料的制備方法，特別是涉及一種用作鋰離子電池負極材料具有蜂窩結構的微/納米尺寸硅/碳復合材料的制備方法及其產品和應用。

背景技術

鋰離子電池是一種電化學可充電儲能系統(tǒng)，其中鋰離子在充電/放電過程中通過電解質在陰極和陽極之間移動。由于具有能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點，鋰電池得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛應用于智能手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機和便攜式工具等小型電子設備，以及大型應用領域包括公共交通、航天工程、國防和醫(yī)療系統(tǒng)。隨著人類社會的發(fā)展，為滿足全球對新能源和清潔能源日益增長的需求，需要更先進的高能量密度和高功率密度的鋰離子電池，這激發(fā)了對低成本、高容量和高容量新型電極材料的深入研究。良好的環(huán)境良性。在負極方面，研究主要集中在石墨基碳、硬碳、碳納米管等含碳材料和石墨烯，以及非碳質材料，如過渡金屬氧化物/硫化物、合金等目前，大多數(shù)的報道都把重心用于研究循環(huán)性能較好的納米硅碳復合材料，但是納米材料本身的堆積密度較低，巨大比表面積又引起更多的不可逆副反應從而造成較低的首次效率，限制了納米硅碳復合材料的實際應用。

迄今為止，已經通過化學氣相沉積（CVD）、噴霧干燥/熱解和高能球磨等方法制備了大量納米/多孔硅基Si/C復合材料。然而，納米硅和多孔硅的制造工藝通常復雜且昂貴。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明目的在于提供一種用作鋰離子電池負極材料具有蜂窩結構的微/納米尺寸硅/碳復合材料的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于：提供一種上述方法制備的用作鋰離子電池負極材料具有蜂窩結構的微/納米尺寸硅/碳復合材料產品。

本發(fā)明的又一目的在于：提供一種上述產品的應用。

本發(fā)明目的通過以下方案實現(xiàn)：一種用作鋰離子電池負極材料具有蜂窩結構的微/納米尺寸硅/碳復合材料的制備方法，鋰離子電池負極材料為Si/C復合材料，其特征在于該材料具有混合的蛋殼和麥片狀多孔結構，該材料在作為鋰離子電池的負極時表現(xiàn)出很強的循環(huán)穩(wěn)定性，包括以下步驟：

（1）將2.12g Na₂CO₃ (0.02mol) 和2.22g CaCl₂ (0.02mol) 分別溶解在 100 mL蒸餾水中；

（2）將0.1 g 硅粉分散在Na₂CO₃溶液中，劇烈攪拌 1 h，超聲 3 h，然后在攪拌下將分散好的溶液滴加到CaCl₂溶液中，得混合物；

（3）將混合物進一步攪拌10 min并過濾以獲得Si@CaCO₃產物，該產物用水沖洗后，用乙醇和二甲基甲酰胺（DMF）沖洗；

（4）將沖洗后的Si@CaCO₃分散在 1-2 mL DMF 中，將0.30 - 0.50 g 聚丙烯腈（PAN）溶解于溶液中，攪拌 1 h 得到均勻混合物，在 60℃下真空干燥得到 Si@CaCO₃/PAN前驅體；

（5）將該前驅體在280℃的空氣環(huán)境中預氧化 4 h后，用稀鹽酸和水洗滌除去CaCO₃，純化的前驅體在 650℃下在氮氣氣氛中碳化 6 h，即可得到 Si/PC30-50。

聚丙烯腈作為碳源和氮源。

CaCO₃作為結構模板，在最后用稀鹽酸除去。

起始原料為5-10μm低成本微米尺寸硅粉。

將約 5-10 μm微米尺寸硅粉砂磨 4 小時。