[發明專利]一種銅納米線纏繞硅碳復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110986810.9
• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113707862A
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 鄭淞生;陳思;王兆林;張葉涵;凡正清
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/05;C01B33/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 申素霞

本發明提供了一種銅納米線纏繞硅碳復合材料及其制備方法和應用，屬于電極材料技術領域。本發明提供的銅納米線纏繞硅碳復合材料，包括碳包硅顆粒和纏繞在所述碳包硅顆粒表面的銅納米線；所述碳包硅顆粒包括硅和包覆在所述硅表面的碳層；所述碳層中分散有銅納米顆粒。本發明提供的銅納米線纏繞硅碳復合材料的顆粒粒徑均勻，銅納米顆粒在碳層中分散均勻性好，純度高，碳層對于硅的包覆完整均勻，銅納米線在碳包硅顆粒表面分布均勻，復合材料中硅內部的導電子性能優異，解決了硅的體積膨脹問題，大大提高了復合材料與集流體間的導電子性，有效提升電化學性能。

技術領域

本發明涉及電極材料技術領域，具體涉及一種銅納米線纏繞硅碳復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

石墨或石墨化碳作為現有商業化鋰離子電池的負極材料得到了廣泛的應用。目前，碳負極材料的實際應用容量已達到了350mAh/g，接近LiC₆的理論值(372mAh/g)。鋰離子電池負極材料未來將向著高比容量、高充放電效率、高循環性能和較低成本的方向發展，因此，石墨材料將無法滿足未來鋰離子電池在電動汽車行業和儲能領域的高比容量應用需求。

硅的理論鋰容量最高可以達到4200mAh/g(對應Li_4.4Si)，是石墨材料 (理論容量372mAh/g)的十倍多，也遠高于其他金屬氧化物負極材料。而常溫條件下，Si嵌鋰后形成的最高成分為Li1₅Si₄(Li_3.75Si)，其理論鋰容量也高達3579mAh/g。而且硅的嵌鋰電位約為0.5V(vs.Li/Li⁺)，高于石墨負極材料(0.2Vvs.Li/Li⁺)，所以在充放電過程中硅表面不容易析鋰，從而提高電池的安全性。而且，由于硅在地殼中含量豐富、低成本、無毒、且具有穩定的化學性質。因此，硅是一種理想的鋰離子電池負極材料，具有很好前景。

然而，Si在嵌鋰和脫鋰的過程中，將會產生巨大的體積變化(例如Li₁₅Si₄對應的體積變化為266％)。巨大的體積變化導致的不利影響：(1)巨大的體積變化會導致活性材料與集電層之間的導電網絡發生粉碎，從而導致鋰離子電池循環性能的快速下降；而且鋰離子嵌入后的大彈性應變也明顯減緩了鋰化合物形成的動力學過程；(2)Li⁺嵌入引起的變形產生應力而導致電極產生裂紋或形態變化，當Si無法承受時，由此產生的應力裂紋因脆性導致硅材料從電極上脫落，從而破壞負極導電網絡，導致部分活性物質無法參與反應，從而導致含有Si材料的負極的可逆容量快速衰降；(3)當負極電位低于1V(vs.Li/Li⁺)時，電極表面的有機電解質會發生分解，分解產物在電極材料表面形成一層稱為“固體電解質界面”(簡稱為SEI膜)。在脫嵌鋰的過程中，為了防止發生進一步的副化學反應，該SEI膜需要致密和穩定，它應該是電子絕緣的但Li離子可以自由穿透。SEI膜主要由Li₂CO₃、各種鋰烷基碳酸鹽(ROOCO₂Li)、LiF、Li₂O和非導電聚合物組成。硅與液體電解質界面的SEI穩定性是獲得長循環壽命的關鍵因素。然而，硅脫嵌鋰產生的大體積變化使得形成一個穩定的SEI非常具有挑戰性。鋰離子電池硅負極在嵌鋰的過程中生成的SEI膜，在脫鋰過程中由于發生巨大的體積收縮而使 SEI膜遭到破壞，這將使新的Si表面重新暴露在電解液中，并再次形成SEI 膜，在鋰電池充放電循環過程中，硅負極材料的這種大體積變化將使SEI膜變得越來越厚，會消耗越來越多的鋰源，從而加速了硅負極塌陷和容量衰減。