[发明专利]一种硅‑多孔碳电极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料领域，特别涉及一种容量高、倍率性能好、低成本的硅-多孔碳电极材料，还涉及该电极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池的优越性能使其在便携式电子设备、电动工具、交通工具、航空航天等方面都有广阔的应用前景。

目前商用的负极材料仍以石墨碳素类的碳材料为主，其最大理论比容量只有372mAh/g，制约了锂电池容量的进一步提高。硅具有储锂容量高、地球资源丰富等优点，有望成为下一代锂离子电池的负极材料，将其用作锂离子电池的负极能大幅提升电池的容量。硅的理论容量高达4200mAh/g，是碳素负极材料容量的10倍以上。但是，以往的研究表明，硅基电极在充放电循环过程中，即在锂离子嵌入、脱出电极的过程中，体积变化巨大(>300％)，导致材料结构的崩塌和电极的剥落、粉化、电导率的下降，进而导致电池容量锐减。同时，由于硅为半导体，本征电导率低，纯硅材料的高倍率充放电性能较差。

近年来，通过和碳材料复合提升硅基电极材料循环性能和倍率性能的方法受到广泛关注。多种特殊结构的硅碳复合材料表现出良好的循环稳定性和高倍率性能。但是，这些材料的制备方法往往具有一些缺点，例如制备工艺冗长、成本高、对环境有污染、难以大规模生产等。

发明内容

技术问题：为克服现有技术的不足，本发明提供了一种硅-多孔碳电极材料及其制备方法和应用，该材料循环稳定性好、倍率性能好、成本低、环境友好、可规模化生产。本发明的另一个目的是提供所述硅-多孔碳电极材料的制备方法及应用。

技术方案：本发明的一种硅-多孔碳电极材料为纳米硅颗粒分散在多孔碳支架上，硅-多孔碳电极材料具有孔径为4-500nm的孔道结构，比表面积180-400m²/g。

本发明的硅-多孔碳电极材料的制备方法为：将纳米硅粉与纳米氧化镁粉末的混合物超声分散于蔗糖溶液中，干燥后加热使蔗糖碳化，然后用HCl溶液洗去纳米氧化镁，即得硅-多孔碳电极材料。

其中：

所述硅粉与氧化镁粉的质量比为1：(1.0-4.0)。

硅粉与蔗糖的质量比为1：(1.0-5.0)。

所述氧化镁粉的粒径为10-500nm。

所述蔗糖溶液的浓度为0.02-0.50g/mL。

所述高温碳化的温度为700℃以上，保温3-10小时。

所述硅-多孔碳电极材料应用在锂离子电池负极中。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的硅-多孔碳电极材料循环稳定性好、倍率性能优异、制备成本低且环境友好。

本发明通过氧化镁模板造孔，获得的硅-多孔碳电极材料，容量保持率和高倍率充放电性能均高于纯硅颗粒和未用氧化镁模板造孔制备的硅碳复合材料。

附图说明

图1为使用氧化镁模板造孔制备的硅-多孔碳材料的透射电镜图片；

图2为未使用氧化镁模板制备的硅-碳材料的透射电镜图片；

图3为使用氧化镁模板造孔制备的硅-多孔碳材料、未使用氧化镁模板制备的硅-碳材料的孔径分布曲线；

图4为使用氧化镁模板造孔制备的硅-多孔碳材料和商品纳米硅颗粒、未使用氧化镁模板制备的硅-碳材料的电化学循环稳定性对比；

图5为使用氧化镁模板造孔制备的硅-多孔碳材料和商品纳米硅颗粒、未使用氧化镁模板制备的硅-碳材料的倍率性能对比。

具体实施方式

本发明所述的硅-多孔碳电极材料，所述的硅-多孔碳电极材料为纳米硅颗粒分散在多孔碳支架上，具有4-500nm的孔结构，比表面积为180-400m²/g。

本发明还提供了所述的硅-多孔碳电极材料的制备方法，具体为：将纳米硅粉与纳米氧化镁粉末的混合物超声分散于蔗糖溶液中，干燥后加热使蔗糖碳化，然后用HCl溶液洗去纳米氧化镁，即得硅-多孔碳电极材料。

所述纳米硅粉和蔗糖的质量比为1：1.0-5.0。当样品纳米硅粉的比例增加时，复合电极材料的充放电容量提高，但是当硅和蔗糖的比例高于1:1时，复合电极材料中的碳含量过低，不容易形成联络的网状结构。所述纳米硅粉和蔗糖的优选质量比为1：1.5-3.0。