[发明专利]一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料及制备方法

说明书

本发明公开一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料及制备方法，复合材料包括镍纳米颗粒、Si₂Ni纳米物质及硅纳米线，镍纳米颗粒尺寸在10‑30nm，Si₂Ni尺寸在20‑40nm，硅纳米线的直径为1‑500nm，长度为5‑200μm。复合材料中的硅纳米线是利用氧化物辅助合成得到的，是在没有金属催化剂的条件下，以硅及硅的氧化物作为原料，采用直接热蒸发的方法制得；再利用溶液化学还原法，氢氟酸刻蚀硅纳米线表面形成具有还原性的硅氢键，在190℃条件下与镍盐反应，得到镍纳米颗粒修饰的硅纳米线复合材料，其中还包含Si₂Ni纳米物质在其表面生成。硅基材料在室温下非常稳定，通过氧化辅助还原法时所采用的载气流量、反应温度和时间来加以调控，且本发明工艺简单，重复性好。

技术领域

本发明属于纳米复合材料领域，具体是一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料及制备方法。

背景技术

近十年来，通过对新电极材料和新存储机理的开发研究，基于锂的可重复充电技术得到了飞跃发展，电池性能不断提高。得益于纳米技术的不断探索发现传统电池材料存在的许多重难点问题有望得到解决。对于地球上蕴含量非常丰富的硅材料，作为锂离子电池负极材料具有非常高的理论克容量(4200mAh/g)，但是硅的电导率低，并且循环时会产生巨大的体积变化，使得材料的循环性能非常差，这限制了硅材料在锂离子电池负极材料中的应用。传统嵌入式电极材料在充放电过程中的体积变化较小。而对于新型的高容量电极材料而言，由于充放电过程中，大量的Li物质嵌入和脱嵌，发生巨大的体积变化。经过多次循环之后，活性颗粒和电极材料会开裂和破碎，影响电学传导，并造成容量降低，最终导致电池失效，大大缩短了电池的使用寿命。据报道，合金型负极材料的体积膨胀率中，Si为420％，Ge和Sn为260％，P为300％，而传统的石墨负极只有10％。而纳米材料一个天然优势就在于，其尺寸较小，可以在颗粒和电极层面上有效抵抗力学上的破坏。高容量电极材料有一个基本参数，叫做临界破碎尺寸，这个参数值取决于材料的反应类型(例如合金反应，转化反应)、力学性能、结晶度、密度、形貌以及体积膨胀率等一系列参数。电化学反应速率对于颗粒的开裂和破碎影响重大，充放电速率越快，产生的应力越大。当颗粒尺寸小于这个临界尺寸时，锂化反应引起的应力将得到有效控制，从而缓解颗粒的开裂和破碎行为。有研究结果表明，Si纳米柱的临界尺寸是240-360nm，Si纳米线的临界尺寸是300-400nm这一区间范围主要是受到电化学反应速率的影响。晶化Si纳米颗粒的临界尺寸大约是150nm。因此，颗粒的破碎问题可以通过使用低于临界尺寸的各种纳米结构来实现，譬如纳米柱、纳米线、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、以及纳米复合材料等。至于电极的破碎问题主要是采用一系列胶粘方法将Si纳米颗粒粘结在集流体上实现的。而且针对Si负极，主要采用空心包裹的策略来实现SEI膜的稳定，这样的结构设计，既提供了电解液阻隔层，又为活性颗粒的体积膨胀预留了空间，电池性能从而得到有效地提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术单独使用硅材料作为锂离子电池的负极材料时具有循环性能差的缺点，较充分地发挥硅基负极材料高容量的优势，提供一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料及制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料，所述复合材料包括镍纳米颗粒、Si₂Ni纳米物质及硅纳米线，所述镍纳米颗粒尺寸在10-30nm，Si₂Ni尺寸在20-40nm，所述硅纳米线的直径为1-500nm，长度为5-200μm。

本发明的另一个目的在于提供一种镍纳米颗粒及硅镍纳米物质共同修饰的硅纳米线复合材料的制备方法，包括以下步骤：