[发明专利]一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法和应用。通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺‑铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧，制备出硅铜碳纳米杂化材料。本方法采用热聚合，简单易行，操作简便，反应体系没有劣溶剂，避免了传统有机溶剂后处理，绿色环保。材料作为锂离子电池负极材料，性能良好。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种硅铜碳纳米杂化材料及其制备方法，以及制备的材料在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

硅负极材料具有最高的理论比容量(4200mA·h/g)，是石墨化碳材料的10多倍，而且环境友好、储量非常丰富、价格便宜，是最有希望成为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。然而，硅负极材料商业化应用主要需要解决几大难题。第一，硅负极材料在嵌锂过程中会发生严重的体积膨胀，高达300％，从而导致极片上活性物质粉化并且与集流体失去电接触，极大的影响了硅基负极材料的循环性能；第二，硅本身属于半导体，导电性很差。这些缺点严重阻碍了硅负极材料的商业化。

目前，在改善硅负极的方法中，硅基材料的复合化得到了科研工作者的高度关注，它主要是在降低硅活性相体积效应的同时引入导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体，制备多相复合负极材料，通过体积补偿、增加导电性等方式提高材料的长期循环稳定性和倍率性能。因此，我们在硅负极的基础上，引入了具有良好导电性的单质铜和可以缓解硅体积膨胀的碳基质，制备出硅铜碳纳米杂化材料来改善硅负极的电化学性能。

发明内容

本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种硅铜碳纳米杂化材料。该硅铜碳纳米杂化材料是通过将铜盐溶解在多元胺中，经溶剂热方法制备出多元胺-铜纳米粒子复合材料，然后此复合材料与环氧树脂混合搅拌，结合热固化聚合方法，通过惰性气氛中煅烧，制备出硅铜碳纳米杂化材料。

本发明的另一个目的是提供一种硅铜碳纳米杂化材料。本发明方法的具体步骤是：

步骤(1)、将铜盐加入到装有多元胺的反应瓶中，磁力搅拌0.1～1h；其中铜盐与多元胺的质量体积比为0.01～1g/mL；

所述的铜盐为醋酸铜、硝酸铜、氯化铜、溴化铜等铜盐中的一种或者几种；

所述的多元胺为聚醚胺D400、聚醚胺D230、乙二胺、异氟尔酮二胺等多元胺中的一种或者几种；

步骤(2)、把步骤(1)中反应瓶置于高压反应釜，并把高压反应釜转移到烘箱中加热，反应完成后，自然冷却到室温，得到多元胺-铜纳米粒子复合材料；

上述溶剂热反应温度范围为120～200℃，反应时间范围为1～24h；压力为1～100MPa；

步骤(3)、将硅纳米粒子加入到环氧树脂中，然后与步骤(2)得到的多元胺-铜纳米粒子复合材料混合并搅拌0.1～1h，最后将混合物注入到聚四氟乙烯模具中，并移入烘箱进行固化。硅纳米粒子与环氧树脂的质量比为0.01～0.2：1；硅纳米粒子与多元胺-铜纳米粒子复合材料的质量比为0.02～0.2：1；

固化条件为：温度采用120～180℃，反应时间为2～8小时；

所述的硅纳米粒子尺寸为10～700nm；

所述的环氧树脂为E40-环氧树脂，E42-环氧树脂，E44-环氧树脂，E51-环氧树脂等树脂中的一种或者多种；环氧树脂用量依据多元胺用量以及环氧树脂环氧值计算确定。

步骤(4)、将步骤(3)将所得固体放在刚玉坩埚中，置于真空管式炉，惰性气体气氛下煅烧，得到硅铜碳纳米杂化粉体；

惰性气体气氛为氩气、氮气、氩气/氢气、氮气/氢气中的一种；

所述的煅烧温度为500～1100℃，煅烧时间为1～24h；