[發明專利]一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202111277420.0
• 申請日: 2021-10-29
• 公開（公告）號: CN114122370A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 宋江選;查光明;王帥
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 崔方方

本發明公開了一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料及其制備方法，該硅碳復合材料包括多孔碳微球及硅顆粒。所述多孔碳微球由導電炭黑(SP)、碳納米管(CNT)構成，硅顆粒均勻附著在所述多孔碳微球的內部或表面。本發明基于碳質材料導電性、保護性、機械強度和循環穩定性且來源豐富、成本低的特點，統籌兼顧硅作為主體材料的高比容和碳質材料高的導電性和保護性，針對現有技術的存在的缺陷，提出一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積制備硅碳負極材料的方法。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，具體涉及一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

21世紀以來，隨著全球經濟時代的飛速發展，能源問題成為人類社會所面臨的最突出的問題之一。鋰離子電池由于具有高能量功率密度、工作電壓高、安全性好、綠色環保等優點，在手機、筆記本電腦及新能源汽車等領域得到了廣泛應用。高比能量的鋰離子電池從電子終端設備走向電動汽車和儲能技術領域勢在必行。然而目前商業化的鋰離子電池負極材料以石墨為主，其容量發揮已經接近其理論容量(372mA h g^-1)，很難再有提升，因此研發高比能的負極材料具有重要意義。

硅元素由于其天然的豐度、環境友好性、相對較低的鋰化電位(0.4V vs Li/Li⁺)，以及4200mA h g^-1的高的理論比容量(是傳統石墨負極的10倍以上)，被公認為下一代鋰離子電池中最具吸引力的負極材料候選材料之一。但是硅基負極的商業化受限于以下三方面：(1)充放電循環過程中巨大的體積變化會誘發電極內部應力積累產生裂紋，導致電極粉化，活性材料與集流體分離，進而使性能衰減；(2)固態電解質界面膜(SEI)會隨著硅的體積膨脹收縮反復破裂和再生，持續消耗活性鋰導致電池極化，降低循環穩定性；(3)硅的導電性能較差，大電流下不利于電池容量的釋放。

現有的改進技術包括納米化，將硅制成納米球、納米線、納米管等在一定程度上能夠緩解硅在循環過程中的膨脹，提高循環穩定性。但是過度的納米化使得硅顆粒具有大的表面能，容易二次團聚成顆粒，且納米硅比表面積較大會消耗過多的鋰離子從而降低電池的庫倫效率，因此很難適合商業負極材料的使用。此外，納米硅制備過程復雜、制作成本較高使其難以大規模生產。因此設計合成同時解決硅基體積膨脹效應和導電性的材料且大規模應用的低成本高效制備手段具有重要價值。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料及其制備方法，以解決現有技術中納米硅團聚導致循環不穩定及導電性差、首效低的問題。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料，包括多孔碳微球，所述多孔碳微球中有多個孔洞；所述多孔碳微球中嵌入有硅顆粒、導電炭黑Super P和碳納米管。

本發明的進一步改進在于：

優選的，所述多孔碳微球和硅顆粒的質量比為(2～5)：(8～5)。

優選的，所述多孔碳微球的當量直徑為10um～50um。

一種多孔碳雙鍵修飾誘導硅烷沉積的負極材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將粘結劑、導電炭黑Super P、碳納米管、PVP聚乙烯吡咯烷酮和水混合，乳化后得到混合溶液a；

步驟2，通過噴霧干燥處理混合溶液a，制得多孔碳微球；

步驟3，熱處理多孔碳微球；

步驟4，將熱處理后的多孔碳微球和雙鍵硅烷偶聯劑加入至強酸中，水熱反應后制得雙鍵修飾的多孔碳微球，將雙鍵修飾的多孔碳微球置于密閉容器中，在密閉容器中通入硅烷氣體，制得負極材料。