[发明专利]一种以硅溶胶为硅源的一维硅碳复合负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以硅溶胶为硅源的一维硅碳复合负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

当前，锂离子电池作为成熟的储能单元，已经逐渐融入生活的每一个部分。生活中的手机、笔记本等电器都是使用锂离子电池作为其储能单元。近几年锂离子电池逐渐被用在动力储能方面，电动汽车就是锂离子电池重要的应用对象，然而目前的锂离子电池能量密度仍然无法达到纯电动汽车对续航里程的要求。

对于动力电池来说，对其能量密度影响最多的因素应该是正极材料和负极材料。目前正极材料正朝着高容量和高电压两个方向发展，开发与正极材料性能相匹配的负极材料，才能有效地发挥出正极材料的特性。

硅基电池负极材料具有很高的容量性能，纯硅的理论比容量是4200mAh/g，是极具开发潜力的锂离子电池负极材料。目前硅基负极材料面对的主要问题是硅在充放电过程中的体积变化，因此使用碳材料作为缓冲骨架，可以缓冲硅材料的体积膨胀和缩小，硅碳复合负极材料应运而生。目前对硅碳负极材料的研究已经很多，例如专利申请号201210387258.2一种锂离子电池硅碳复合材料的制备方法和201210283761.3一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法中均使用硅粉与膨胀石墨混合处理，得到硅碳负极材料，但是该方法受到硅粉尺寸及分散工艺的限制，很难真正实现硅粉插入膨胀石墨空隙中的目的，纳米级硅粉提高材料成本，另外201210387258.2专利中所有碳源均选用膨胀石墨，大大增加材料成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种以硅溶胶为硅源的一维硅碳复合负极材料的制备方法，该方法以硅溶胶作为硅碳负极的硅源，通过前期处理，提高其与膨胀石墨层片之间的结合能力和分散能力，直接将SiO₂插入膨胀石墨片层之间。之后，使用镁热还原的方法将SiO₂插层膨胀石墨还原成富硅石墨。将富硅石墨加入到纺丝溶液中，以有机高分子粘结剂作为主要碳源，纺织成丝，之后通过高温碳化将有机碳源还原成碳，最终得到硅碳复合负极材料。该方法不使用硅粉作为硅源，降低材料成本，另一方面使用前处理后的硅溶胶可以将二氧化硅离散在膨胀石墨层片之间，从而保证膨胀石墨对硅的缓冲作用；配合以静电纺丝方法，进一步提高材料的性能。

本发明的技术方案是这样实现的：一种以硅溶胶为硅源的一维硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于制备方法，具体制备步骤如下：

步骤一、硅溶胶前处理：取硅溶胶，加入去离子水，去离子水的质量为第二步中膨胀石墨质量的15~30倍，之后在其中加入表面活性剂，表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇400或六偏磷酸钠，加入量为硅溶胶中的二氧化硅SiO₂质量的0.1%~10%，然后将溶液搅拌3~5小时备用；

步骤二、SiO₂插层膨胀石墨制备：称取膨胀石墨和硅溶胶前处理溶液，使其中的SiO₂质量与膨胀石墨质量比在0.5~1.5之间。将硅溶胶前处理溶液加入到膨胀石墨之中，加以搅拌和超声使其均匀润湿后在25~80℃烘干，再经过粉碎步骤便获得SiO₂插层膨胀石墨；

步骤三、富硅石墨制备：使用镁热还原的方法将SiO₂插层膨胀石墨中的SiO₂还原成单质硅，之后经过酸洗、水洗、烘干后，便得到富硅石墨材料；步骤四、硅碳复合材料合成：取富硅石墨材料，加入到配置好的静电纺丝溶液中，通过静电纺丝工艺制备出一维纺丝材料，富硅石墨的加入量根据材料的不同容量需求来调节，添加质量应保证理论硅含量在20%以下。之后在保护气氛下500~800℃之间高温煅烧4~8小时碳化，经过粉碎步骤后便得到一维硅碳复合负极材料。

所述的所述的步骤一中的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，可将十六烷基三甲基溴化铵替换为聚乙二醇400或六偏磷酸钠。

本发明的积极效果是其使用硅溶胶这种廉价的硅源，降低材料的成本；通过对硅溶胶进行前处理，使其插入膨胀石墨层间，更充分的为硅源提供缓冲空间，提高硅碳材料电化学性能；使用静电纺丝方法一方面引入其他碳源作为主要碳源可以降低成本；另一方面形成一维材料，更加有效的提高材料的电化学性能。同时通过调节富硅石墨的加入量，可以做到容量和成本可控的目的。

附图说明

图1 是实施例1中硅碳负极扫描电镜照片。

图2 是实施例2中硅碳复合材料的首次充放电曲线。

具体实施方式