[发明专利]多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料，特别是一种多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池是一种以硫元素作为阴极，以金属锂作为阳极的锂电池。锂硫电池放电时阳极反应为锂失去电子变为锂离子，阴极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，阴极和阳极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。锂硫电池的理论能量密度为锂离子电池理论能量密度的五倍以上，数值大约为2600Wh/kg。此外，锂硫电池的理论容量可高达1672mAh/g，并且拥有高的环境保护性和低成本的优势。

尽管锂硫电池具有上述优势，然而依然存在如下问题：1、单质硫的电子导电性和离子导电性较差，硫材料在室温下的电导率极低(10^-30S/cm)，并且反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；2、锂硫电池的中间放电产物(聚硫中间体或多硫化物阴离子)会溶解到有机电解液中，不仅会降低离子导电性，还会导致活性物质损失和电能的浪费；3、硫和硫化锂在充放电过程中具有高达80％的体积变化，其会导致阴极形貌和结构的改变，并导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减；4、锂硫电池目前仍处于实验室研究阶段，单位面积上的硫载量较低。

解决上述问题的方法通常可以从电解液和阴极材料两个方面入手。例如，可以采用醚类的电解液作为电池的电解液，并向电解液中加入一些添加剂，从而有效缓解聚硫中间体的溶解问题；此外，还可以将硫和碳材料进行复合，或者将硫和有机物进行复合，从而解决硫的不导电和体积膨胀等问题。

上述方法虽能在一定程度上提高锂硫电池的循环性能，然而提高幅度有限，主要原因可能在于上述材料缺乏能够强烈吸附聚硫中间体的吸附潜力，因此仍然存在活性物质的损失。

发明内容

本发明提供一种多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料及其制备方法和应用，该纳米复合材料能够利用具有较大比表面积的多孔碳球对聚硫中间体进行物理吸附，同时还能够利用硅/二氧化硅纳米粒子与聚硫中间体的静电作用吸引聚硫中间体，对硫的负载量大，并且活性物质不易损失。

本发明提供一种多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料(以下称为纳米复合材料)，包括硅/二氧化硅纳米粒子(Si/SiO₂)和包裹所述硅/二氧化硅纳米粒子的多孔碳球，所述多孔碳球具有微孔和中孔。

在本发明中，所述硅/二氧化硅纳米粒子具有交联网络；即，所述硅/二氧化硅纳米粒子可以通过交联反应得到；进一步地，可以采用含有碳和Si/SiO₂的前体(例如八苯基八硅倍半氧烷等)与交联剂(例如CCl₄等)进行交联反应。此外，所述多孔碳球可以通过对含碳的有机材料进行碳化得到，例如对含碳的硅/二氧化硅纳米粒子进行碳化得到；进一步地，可以通过对碳化材料进行刻蚀形成微孔和中孔；其中，所述微孔的孔径＜2nm；所述中孔的孔径为2-50nm。微孔和中孔可以促使交联网络具有更高的硫负荷并抑制多硫化物阴离子的溶解。

进一步地，本发明的多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料可以通过对含有碳和Si/SiO₂的前体与交联剂的交联反应产物进行碳化处理和刻蚀处理得到。进一步地，前体与交联剂的交联反应可在催化剂(例如AlCl₃等)存在下进行。

上述交联反应能够使硅/二氧化硅纳米粒子形成交联网络，该交联网络具有刚性，不会导致在后续的碳化处理过程中硅/二氧化硅团聚，从而硅和二氧化硅均匀地分布在多孔碳球中。进一步地，在碳化处理后，硅/二氧化硅与多孔碳球形成相互缠绕；此外，刻蚀处理能够优化该材料中硅/二氧化硅的含量并形成微孔和中孔，从而提供更多的储硫空间(参照图1)。

在本发明中，所述多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料中硅/二氧化硅纳米粒子的质量含量为1-30％；即，所述多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料中硅和二氧化硅的总质量含量为1-30％。

进一步地，所述多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料可以是粒径为350-500nm的球状纳米复合材料，例如400-450nm。

在本发明中，所述多孔碳球包裹的硅/二氧化硅纳米复合材料的比表面积为600-800m²/g；总孔体积为0.4-0.8cm³/g。