[发明专利]一种制备二氧化硅/多孔碳锂离子电池负极材料的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料制备方法。

背景技术

锂离子电池由正、负极材料，电解液，隔膜，集流体，粘结剂，导电剂，电池壳，极耳 等构成，其中正负极和电解液是解决锂离子电池性能最为关键的技术。参见吴宇平，袁翔云， 董超，段冀渊，锂离子电池：应用与实践，化学工业出版社，2004.而负极材料作为锂离子电 池的主要储锂主体，在充放电过程中它实现锂离子的嵌入和脱出。

碳材料在锂二次电池中的成功应用促进了锂离子电池的产生，多种碳材料得到了广泛的 研究。目前，已经产业化的锂离子电池的负极材料主要是各种碳材料，参见黄可龙,王兆翔, 刘素琴，锂离子电池原理与关键技术，化学工业出版社,2008.包括石墨化碳材料和无定形碳材 料，如天然石墨、石墨化中间相碳微珠、软炭(如焦炭)和一些硬碳等。但是碳材料存在着 比容量低、首次充放电效率低、有机溶剂共嵌入等不足，促使人们开始了对其他高比容量的 非碳材料的开发。

近年来人们也开始关注二氧化硅作为电极材料，在过去的几十年中，二氧化硅一直被认 为在锂离子存储上不具备电化学活性，直到Gao等人报道了商业二氧化硅纳米颗粒与锂在0-1 V电压范围内进行反应且具有400mAh/g的可逆容量，且具有较低的充电电位，参见GaoB, SinhaS,FlemingL,etal.,Alloyformationinnanostructuredsilicon,AdvancedMaterials,2001, 13(11):816-819；另外，二氧化硅较硅具有改善的循环稳定性，资源丰富，生产成本低。但是， 在锂化过程中会产生硅纳米颗粒，因此二氧化硅在充放电过程中也存在体积膨胀过程，同时 二氧化硅导电性差，需引入导电性好，且体积效应小的活性/非活性基体与之进行复合，一方 面能够改善其导电性，另一方面还可以提高其结构的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的二氧化硅、碳材料自身的不足，将二氧化硅与碳材料进行复 合，提供一种锂离子电池负极材料制备方法。本发明一方面解决二氧化硅导电性差、体积膨 胀的问题，另一方面提高复合材料的电化学性能。本发明工艺简单、成本低廉、绿色环保， 所制得的二氧化硅/多孔碳纳米复合材料作为锂离子电池负极获得了良好的电化学循环稳定性 以及优良的倍率性能。

一种制备二氧化硅/多孔碳锂离子电池负极材料的方法，利用硅酸钠、葡萄糖分别作为硅 源和碳源，并采用氯化钠作为模板，通过热干的方法获得稳定的三维多孔结构，包括以下4 个步骤：

(1)将硅酸钠、葡萄糖和氯化钠按照1-1.5：3.5-4：16-18的质量配比溶解于去离子水中；

(2)将配置好的溶液干燥，获得棕色焦糖状前驱体。

(3)将获得的前驱体进行研磨至细微粉末，进行煅烧，在Ar气氛中，以8℃/min的速 率升温至650℃，并保温，获得硅酸钠/碳前驱体。

(4)利用强酸制弱酸原理，将硅酸钠/碳前驱体置入浓盐酸，之后在170℃烘箱中进行 干燥，经过水洗后获得二氧化硅/多孔碳复合材料。

本发明具有如下优点：本发明改善了二氧化硅的导电性，缓解了其在嵌锂/脱锂过程中的 体积变化；此外，复合材料的电化学性能得到了很好的改善。在100mA/g的电流密度下，循 环50次比容量仍能保持在434mAh/g；同时，其倍率性能也得到很改善，即使在5A/g的电 流密度下比容量仍能保持在189mAh/g。另外该实验方法工艺简单、绿色环保、成本低廉。

附图说明

图1为复合材料的显微结构。(a)二氧化硅/碳纳米复合材料的扫描电子显微图像；(b) 图(a)的局部放大；(c)，(d)二氧化硅/碳纳米复合材料的透射电镜图像。

图2为复合材料中元素分布。(a)二氧化硅在碳基体上的透射照片；(b)，(c)，(d)分 别为元素C，Si，O在结构中元素分布。

图3为复合材料的物相表征结果。(a)二氧化硅/碳纳米复合材料的傅里叶红外图谱；(b) 二氧化硅/碳纳米复合材料X射线衍射图谱。

图4为二氧化硅/碳纳米材料的电化学性能(a)循环性能；(b)倍率性能。

具体实施方式

将1.25g硅酸钠、3.75g葡萄糖、16.75g氯化钠加入到225ml去离子水中进行混合，强 力搅拌4h后在80℃条件下烘干12h。随后将干燥获得的前驱体在氩气保护环境下，650℃ 条件下煅烧2h，获得硅酸钠/碳复合材料。利用强酸制弱酸原理，加入一定量的盐酸，获得硅 酸/碳复合材料。然后，在170℃温度下5h干燥，再进行水洗之后最终获得二氧化硅/多孔碳 复合结构。