[发明专利]锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及本发明提供了一种新型的锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料及其制备方法，属于锂离子电池领域。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比容量大、循环寿命长、安全性能好、无记忆、无环境污染、自放电小和能快速充放电等诸多优点，已成为世界各国关注的一个科技和产业焦点。研发新型锂离子电池的关键问题之一在于能否设计并制造出性能优异的负极材料。硅材料被认为是最有希望的高性能锂电池负极材料之一，它的最高理论容量为4200mAh/g，超过传统石墨电极10倍，远大于各种氮化物和氧化物的比容量，并且Si在充放电过程中，不易引起锂枝晶在电极表面的形成，安全性高，同时还具有与电解液反应活性低等优点[Small 5，2236-2242(2009)]。

然而，硅基负极材料在充放电过程中会发生高达300％的体积膨胀，导致硅粉碎和电池容量衰退，使其在锂离子电池中的应用受到了很大的限制[J.Power Sources 81，233-236(1999)]。因此，如何既保持硅的高容量又能提高其循环稳定性是当前硅基材料的研究重点，对锂离子电池负极材料的发展起到重要的作用。目前，解决硅作为锂离子电池负极材料的循环稳定性的方法主要有制备非晶态的硅基薄膜、制备多孔硅材料、制备硅纳米线和制备硅基复合材料等。但是这几种方法都由于各种因素的制约导致锂电池性能下降：如非晶态硅基薄膜在大容量下循环次数低；多孔硅结构在多次循环后会发生坍塌，细小空洞消失；硅纳米线的导电性差且锂离子迁移通道容易阻塞；硅基复合材料中硅颗粒容易团聚等。

制备硅纳米线复合材料也被认为是解决硅基锂离子电池的有效途径。文钟晟等人[文钟晟，等.专利申请号：201010223672.0]将硅和金颗粒填充在硅纳米线中，金的优良导电性很好的提高了硅纳米线的电接触性能，但是金颗粒自身并没有储锂能力，降低了复合材料的比容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用作锂离子电池负极材料的具有高容量和高循环稳定性的硅纳米线-富勒烯综合体结构及其制备方法。

本发明的目的是通过如下方式实现的：

一种锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料，富勒烯柔性导电颗粒和硅纳米线共同组成二元综合体复合体；富勒烯柔性导电颗粒负载在硅纳米线表面，形成一个由硅纳米线阵列和富勒烯构成的拓扑网状结构；

所述的综合体负极材料中富勒烯柔性导电颗粒的质量百分比在0.5％～40％之间。

一种锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1)采用金属催化化学腐蚀技术，利用表面洁净的硅片制备硅纳米线；

2)将硅纳米线置入带有负电荷的富勒烯聚集体的混合液的电解液中进行电化学沉积处理；

3)电化学沉积获得锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料。

所述的硅片为单晶硅、多晶硅、[111]型硅片、[100]型硅片、p型掺杂硅片或n型掺杂硅片。

所述的带有负电荷的富勒烯聚集体的混合液由富勒烯甲苯溶液和乙腈的混合组成，两者体积比为1∶3-15，富勒烯的浓度为20～40μM；

所述的的电化学沉积条件为沉积电压为10-500V；沉积时间为1-60min。

对锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料进行退火处理。

本发明具有如下的有益效果，锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料的拓扑网状结构特征，其中的硅纳米线作为储锂的主体，柔性导电颗粒作为链接体。在这种综合体结构中，柔性导电富勒烯负载颗粒具有双重功能：一方面由于富勒烯之间的大量空隙与富勒烯的优异弹性性能可以缓冲硅在嵌锂过程中的体积膨胀，从而阻碍相邻硅纳米线的融合；另一方面富勒烯可充当硅纳米线的连接体，实现锂离子的多通道迁移。因而具有与传统硅负极材料相比更优异的循环稳定性和充放电性能。本发明的特点还在于制备方法中结合富勒烯在甲苯和乙腈混合溶液中带负电荷并形成聚集体的特点，通过电化学沉积的方法，在室温下将富勒烯负载到硅纳米线表面。方法简单经济、可调性高。

附图说明

图1是本发明锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料的微观结构示意图。

图2是本发明锂离子电池用硅纳米线-富勒烯综合体负极材料的微观结构局部放大示意图。

具体实施方式