[发明专利]一种锂离子电池负极二氧化硅/碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池二氧化硅/碳复合材料的制备方法，特别涉及一种高比容量、循环稳定性好的锂离子电池负极二氧化硅/碳复合材料及其制备方法。

背景技术

随着各种便携式电子产品日益普及，电池作为一种携带方便的电源设备日益受到关注。结晶碳（例如石墨）已广泛用作负极活性材料，但是其理论容量为372mAh/g，对于需要更高容量的未来锂电池并不够高，因此开发一种低成本、安全高性能的电池材料至关重要。为了满足这些要求，研究人员做了深入的研究，例如锂合金Li₄.4Si:4198mAh/g,Li₁₇Sn₄:959.5mAh/g,Li₃Sb:660mAh/g,Li₃P:2596mAh/g，虽然这些材料具有很高的比容量，但是在锂离子嵌入和脱出的过程中体积变化很大，导致活性材料粒子之间的电子导电网络的退化或者可导致负极活性材料从负极集流体上分离，造成电池性能的严重衰减。因此合金材料的纳米化、薄膜化和采用非活性物质与活性物质相复合的方法来解决以上问题是较为有效的方法。

二氧化硅作为地球上大量存在的资源得到了很广泛的运用，但是将二氧化硅运用到锂离子电池负极上的时候遇到了一些问题。由于二氧化硅结构稳定，在锂离子电池充放电过程中，二氧化硅不能有效地和锂离子发生嵌入脱出反应，同时普通二氧化硅没有纳米介孔结构，离子电导率和电子电导率低，造成二氧化硅不能发挥其有效的容量。研究发现，当二氧化硅具有纳米的多孔结构的时候具有很好的电化学活性，能有效的与锂离子发生脱嵌反应，同时二氧化硅/碳复合材料能有效的提高其离子电导率和电子电导率，从而获得高容量长循环的二氧化硅负极，目前有相关的报道将氧化硅和导电剂放入高能球磨机中球磨制备复合负极材料，然后碱金属还原氧化硅制备硅复合碳材料，但是机械球磨高耗能，球磨的均一性得不到保证，不能均匀地将碳材料和硅材料融合，且碳材料只分布于硅材料的外表面，不能很好的进入硅材料的内部，离子电导率和电子电导率不能得到提高，限制了材料电化学性能的发挥。

发明内容

本发明的目的是针对现有锂离子电池碳负极材料容量低，合金材料体积膨胀严重和普通二氧化硅电化学活性差，球磨技术混合碳材料不均匀，离子电导率和电子电导率低等不足，提供一种纳米介孔二氧化硅原位复合碳材料作为锂离子电池负极材料的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：将含硅化合物在含有有机模板剂的溶液中碱性条件下催化水解；将含有有机模板剂的产物抽滤、洗涤；将产物置于惰性气氛下热处理得到二氧化硅/碳复合材料。

根据本发明上述技术方案提供的一种锂离子电池负极二氧化硅/碳复合材料的制备方法，包含以下步骤：

1）将有机模板剂溶解在溶剂中，加入碱或碱的水溶液，升至20-90℃恒温搅拌；

2）将步骤1）溶液加入含硅化合物维持步骤1）温度搅拌反应1-30小时；

3）将步骤2）得到的反应液抽滤，滤饼用溶剂洗涤；

4）将步骤3）得到的产物在惰性气氛下升温至200-1000℃后保温热处理0.5-24小时，得到二氧化硅/碳复合材料。

根据本发明上述技术方案提供的制备方法，在一些实施方案中，惰性气氛下热处理过程在管式炉中进行。

根据本发明上述技术方案提供的制备方法，在一些实施方案中，含硅化合物为有机硅化合物、无机硅化合物或其组合。

在本发明的另一些实施方案中，有机硅化合物选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯或其组合；无机硅化合物选自碱金属硅酸盐、水合碱金属硅酸盐或其组合。

在本发明的另一些实施方案中，碱金属硅酸盐选自硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸铷、硅酸铯或其组合。

在本发明的另一些实施方案中，水合碱金属硅酸盐选自水合硅酸锂、水合硅酸钠、水合硅酸钾、水合硅酸铷、水合硅酸铯或其组合。

根据本发明上述技术方案提供的制备方法，在一些实施方案中，有机模板剂选自有机阳离子表面活性剂、有机阴离子表面活性剂或其组合。

在本发明的另一些实施方案中，有机阳离子表面活性剂选自烷基胺盐类、烷基季胺盐类、杂环类阳离子表面活性剂或其组合；阴离子表面活性剂选自烷基羧酸盐类、烷基磺酸盐类、烷基硫酸盐类、烷基磷酸酯盐类阴离子表面活性剂或其组合。