[發明專利]碳納米管增強CVD碳包覆SiOx

在審

• 申請號: 202211457005.8
• 申請日: 2022-11-21
• 公開（公告）號: CN116093275A
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 周海平;楊彬;周行;吳孟強;張庶;徐自強;馮婷婷;方梓煊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡

本發明提供一種碳納米管增強CVD碳包覆SiOsubgt;x/subgt;復合負極材料及其制備方法和應用，屬于電化學儲能材料制備技術領域。方法包括：將SiOsubgt;x/subgt;粉體置于管式爐中，使用化學氣相沉積法在SiOsubgt;x/subgt;顆粒表面沉積碳涂層，然后將SiOsubgt;x/subgt;@C與CNTs漿料分散在去離子水中，采用噴霧干燥法將CNTs包覆在SiOsubgt;x/subgt;@C表面，形成三維結構的導電網絡，得到SiOsubgt;x/subgt;@C@CNTs復合材料。CVD衍生的碳涂層增強了結構的穩定性，提高了SiOsubgt;x/subgt;的循環性能。而3D結構的CNTs導電網絡改善了復合材料的倍率性能，為鋰離子的輸運提供了豐富的途徑。制得的材料作為鋰離子電池負極材料具有優異的倍率性能和循環性能，制備方法簡單，可實現大批量生產。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料制備技術領域，具體涉及一種碳納米管CNTs增強CVD碳包覆SiO_x復合負極材料，還涉及其制備方法和作為鋰離子電池負極材料的應用。

背景技術

對于具有高能量密度的下一代儲能設備和系統，以及為現代生活方式提供可持續電力的成本效益和便捷策略的需求日益增長，對鋰離子電池(LIBs)的能量密度提出了更高的要求。目前，通過開發具有適當工作電位的高容量負極材料來提高能量密度是最為可行的方案。最近，SiO_x(0x2)由于其高理論容量、豐富的資源、環境親和力好以及合適的嵌鋰電位等優勢而受到越來越多的關注。與純硅相比，SiO_x具有更低的生產成本和更小的體積變化。特別是，在初始鋰化過程中原位生成的硅酸鋰(如Li₄SiO₄和Li₂Si₂O₅等)和Li₂O可以緩解SiO_x的體積變化，并充當穩定的固態電解質。這有利于保持其結構穩定性，實現更好的循環性能，但同時也會消耗大量的活性鋰，導致SiO_x負極材料的首次庫倫效率(ICE)較低。此外，SiO_x負極的體積變化仍然存在，這導致SiO_x顆粒的粉碎/分離和SEI膜的開裂。

為了解決SiO_x的固有缺陷，人們提出了各種改善策略。其中兩種最有效的措施包括：一種是將SiO_x縮小到納米級，從而縮短電子/鋰離子的傳輸路徑，以確保電極和電解質的良好接觸。然而，這種方法工藝復雜，且制備成本高昂。另一種方法是將SiO_x顆粒與碳材料復合，這提供了增強的導電性并部分緩沖了體積膨脹。在這種情況下，一些核殼結構的SiO_x@C負極表現出令人印象深刻地的耐用性。在此原則下，我們采用CVD與噴霧干燥相結合的方法，設計了一種碳納米管CNTs增強CVD碳包覆的SiO_x(SiO_x@C@CNTs)復合負極材料。其中，CVD衍生的碳涂層增強了復合材料的結構穩定性，顯著改善了SiO_x負極的循環性能。而3D結構的碳納米管導電網絡賦予了SiO_x@C@CNTs復合材料優異的導電性，為鋰離子的輸運提供了豐富的途徑，有效提高了復合材料的倍率性能。

發明內容

本發明的目的在于針對SiO_x材料由于體積變化導致的循環性能與導電性差的問題，提出一種具有CNTs(碳納米管)增強的CVD(化學氣相沉積)熱解碳SiO_x負極復合材料。在SiO_x表面的碳涂層提高了其導電性，同時具有較強的機械性能可有效緩解SiO_x的體積變化，確保SiO_x結構的穩定性。而CNTs可以為鋰離子和電子提供更多的傳輸通道，提高了SiO_x負極的倍率性能和循環壽命。

本發明的第二個目的在于提供一種工藝簡單、低成本、易于規模化生產的制備CNTs增強CVD碳包覆SiO_x負極材料的方法。