[發明專利]一種硅-碳-鎵復合物電極材料、其制備方法及應用

在審

• 申請號: 202211344403.9
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115642246A
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 張耀;栗志鵬
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/134;H01M4/04;H01M10/0525
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種硅?碳?鎵復合物電極材料、其制備方法及應用，該電極材料包括多孔硅顆粒以及包覆于多孔硅顆粒表面的無定形碳層，多孔硅顆粒上分布有6?15nm孔徑的孔隙；鎵均勻分布于多孔硅顆粒的表面和孔隙。該制備方法為：首先對二氧化硅氣凝膠進行預處理后與鎂粉混合，進行鎂熱還原反應，得到多孔硅；然后將多孔硅分散于鹽酸多巴胺溶液中，真空干燥后，得到硅?多巴胺復合材料，再置于鎵的異丙醇濁液中，干燥后，在惰性氣氛下進行碳化處理，得到硅?碳?鎵復合材料。本發明的硅?碳?鎵復合物電極材料作為鋰離子電池負極材料能量密度高，可逆容量高、循環穩定性好、循環倍率性能優異，可規模化生產。

技術領域

本發明涉及一種復合電極材料、其制備方法及應用，尤其涉及一種硅-碳-鎵復合物電極材料、其制備方法及應用。

背景技術

目前鋰離子電池中商用的負極材料以石墨碳素類的碳材料為主，因其導電性高、循環穩定性強而得到廣泛應用。然而石墨碳素類材料最大理論比容量只有372mAh/g，漸漸滿足不了需求。硅被認為是最有希望的電極材料，其理論容量高達4200mAh/g(與Li可逆反應形成各種Si-Li合金，并最終形成Li_4.4Si合金)，并且其在地球上資源豐富。另外，硅電極的鋰化平臺電壓比石墨電極高，能有效避免枝晶的形成，提升了電池安全性。但是，硅導電性不高，同時在充放電循環過程中，其體積會發生劇烈膨脹(300％)，導致硅材料結構的崩塌和電極的剝落粉化、電導率的下降，進而導致電池容量銳減。

人們近年主要通過構筑硅的特殊形貌(納米球、納米線等)、金屬摻雜、碳包覆等方法對硅的體積膨脹進行抑制。然而這些硅材料的循環穩定性以及導電性能仍有待進一步提高。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種可逆容量高、循環穩定性好、倍率性能佳的硅-碳-鎵復合物電極材料；

本發明的第二個目的是提供該復合物電極材料的制備方法；

本發明的第三個目的是提供該復合物電極材料在鋰離子電池負極中的應用。

技術方案：本發明的硅-碳-鎵復合物電極材料，包括多孔硅顆粒以及包覆于多孔硅顆粒表面的無定形碳層，所述多孔硅顆粒上分布有6-15nm孔徑的孔隙；鎵均勻分布于多孔硅顆粒的表面和孔隙。

上述的硅-碳-鎵復合物電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)對二氧化硅氣凝膠進行預處理后與鎂粉混合壓片，進行鎂熱還原反應，得到多孔硅；

(2)將多孔硅分散于鹽酸多巴胺溶液中，真空干燥后，得到硅-多巴胺復合材料；

(3)將硅-多巴胺復合材料置于鎵的異丙醇濁液中，干燥后得到硅-多巴胺-鎵復合材料，然后在惰性氣氛下進行碳化處理，得到硅-碳-鎵復合材料。

其中，步驟(1)中，所述預處理的過程為：將二氧化硅氣凝膠進行高溫熱處理；所述熱處理的溫度為400～600℃，時間為3～5小時。得到預處理后的二氧化硅。

其中，步驟(1)中，所述壓片的壓力為15Mpa，時間為10～15min；鎂熱還原反應在惰性氣氛下的熱處理參數：溫度為600～800℃，時間為4～5h。之后用鹽酸洗除去副產物，用稀氫氟酸除去未反應的二氧化硅，將得到的樣品抽濾后經過真空干燥得到多孔硅；所述鹽酸的濃度為1M；稀氫氟酸的濃度為10％。

其中，步驟(2)中，所述鹽酸多巴胺溶液的濃度為1-3g/L；多孔硅與鹽酸多巴胺的質量比為1：1。所述鹽酸多巴胺溶液配制方法為：將0.1～0.2g鹽酸多巴胺加入50-100mL的三羥甲基氨基甲烷溶液中，優選調節溶液的pH為8.5。

真空干燥后得到硅包覆的多巴胺樣品。