[发明专利]一种硅/PEDOT复合材料及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用

说明书

本发明公开了一种硅/PEDOT复合材料及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用，硅/PEDOT复合材料由聚3,4‑乙烯二氧噻吩包覆微米级多孔硅颗粒构成；其制备方法是在商业微米铝硅合金粉表面原位聚合包覆PEDOT后，再进行碱处理将铝组分刻蚀去除，即得硅/PEDOT复合材料；该制备方法简单、高效，所制备的复合材料应用于锂离子电池负极，表现出优异的容量、倍率与循环性能。

技术领域

本发明涉及一种硅/导电聚合物复合材料，特别涉及一种聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)包覆微米级多孔硅复合材料，及其制备方法和在高容量、高倍率性能锂离子电池中的应用；属于电池材料技术领域。

背景技术

随着人口的急速膨胀和经济的高速发展，以锂离子电池为主要表现形式的电化学储能，以其环境友好、循环寿命长、自放电小、能量密度高及高电压等特点受到极大关注，已在各类便携式电子产品中得到广泛应用。然而受到现有石墨负极材料储锂机制及低容量的影响，目前商用锂离子电池难以满足诸如新能源汽车等对高能量密度的使用需求。硅是已知理论容量最高的负极材料(4200mAh g^-1)，远高于商用石墨负极材料(372mAh g^-1)，同时具有较丰富的地壳储量与合适的工作电压，被认为是最有潜力的高容量负极材料之一。

然而，硅作为半导体，对锂离子和电子的传导能力较差，且硅与锂合金化反应导致充放电过程中颗粒体积膨胀高达300％，极易导致电极结构破坏，电池容量衰减剧烈。以上问题严重限制了硅负极材料的规模化应用。而导电聚合物材料具有导电性以及一定强度的机械韧性，将硅材料与导电聚合物复合已被证明可有效改善其电化学性能。

公开号为CN102299306A的中国专利文献公开了一种聚(3,4-乙撑二氧噻吩)包覆及其为碳源的纳米硅复合锂离子电池负极材料的制备方法，将导电聚合物PEDOT及其水溶液分散剂PSS作为纳米硅粉的包覆层及碳源，一定程度上提升了硅基材料的电化学性能，但复合材料首次放电容量低，倍率性能无提及，整体电化学性能有待进一步提高。

现有技术中的硅负极材料，已有的研究报道大多集中于纳米硅负极材料，虽然纳米尺寸效应可以使硅颗粒在电池充放电循环过程中体积膨胀有较大程度的缓解，但从工业化应用实际，纳米硅存在易于团聚，加工性能差，难以大规模生产，以及材料比表面积大，副反应严重导致库伦效率低等问题。微米级的硅不易团聚，具有更优的加工性能，作为电池负极材料使用时，由于微米硅比表面积往往低于纳米硅材料，电极副反应较少，具有库伦效率高等优势(Nature Energy,2016,1,16017-16024)。如何制备具有优异电化学性能的微米尺寸硅负极材料已成为锂离子电池材料研究与硅基负极工业应用面临的一大难题。公开号为CN 104538585 A的中国专利文献公开了一种用活波金属还原空心玻璃微球制备空心多孔微米硅的方法，其所得微米硅具有空心多孔结构，应用于锂离子电池负极时电池容量得到提高，但其制备方法繁琐，需要使用活波金属在高温下进行反应，不易于工业化。公开号为CN 106099068 A的中国专利报道了采用酸处理刻蚀金属-硅合金粉制备纳米硅材料，但是其采用酸刻蚀使得金属-硅合金粉的骨架破碎，从而得到纳米硅颗粒。综上所述，寻找制备微米级多孔硅复合材料的方法具有重要的意义。

发明内容

针对现有硅负极导电性差、体积膨胀导致循环稳定性差的问题，本发明的目的旨在提供一种由聚3,4-乙烯二氧噻吩作为导电聚合物层包覆具有微米级多孔结构硅颗粒的硅/PEDOT复合材料，该复合材料能有效缓解充放电过程中硅体积变化，且能提高硅的导电性，且具有微米级硅不易团聚，加工性能更好的优势。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简易、能耗低和易于大规模生产的制备硅/PEDOT复合材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供所述硅/PEDOT复合材料在锂离子电池中的应用，将其制备锂离子电池负极能显著改善硅材料的容量、倍率与循环性能。