[发明专利]一种通过高温热处理制备二氧化硅与碳复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化硅与碳纳米复合材料及高温热处理制备方法，属于锂离子二次电池电极材料领域。

背景技术

近年来，随着手机、笔记本电脑等便携式电子设备的快速发展，以及电动汽车领域的迫切需求，使得研究和发展高能量密度的锂离子电池成为国内外研究热点。作为目前应用较广泛的锂电负极碳材料，其理论比容量低，在完全嵌锂状态(LiC₆)时容量仅为372mAh/g，同时还存在与有机溶剂相容性差的问题，这些都使得碳材料很难满足高容量、高功率锂电负极的发展。

硅的理论比容量为4200mAh/g，是所有合金化储锂元素中容量最高的。硅的电压平台为～0.4V，略高于石墨，因此在快速嵌锂以及低温嵌锂过程中表面析锂的可能性小，安全性更高。但硅负极在电化学反应过程中会产生巨大的体积膨胀(～300％)，形成很强的机械应力，导致电极材料破碎、粉化，甚至与铜集流体脱离，造成大的不可逆容量和迅速的容量衰减。除此之外，硅的本征导电率为6.7×10^-4Scm^-1，导电性差。与硅相比，二氧化硅材料具有较高的理论比容量(～1965mAh/g)，用做锂电负极时在首圈放电过程中会与金属Li反应生成Li₂O和Li₄SiO₄惰性成分，这些惰性材料不参与电化学反应，是造成不可逆容量产生的原因，但其均匀分布在电极材料中，在一定程度上有利于缓冲二氧化硅材料脱嵌锂时的体积膨胀。因此，二氧化硅材料的体积膨胀比硅材料小一些，这也使得二氧化硅材料在最近几年得到广泛关注。

二氧化硅材料的研究，大多围绕解决其体积膨胀和导电性差两个问题展开。一般来说制备纳米氧化硅材料，使材料具有高的机械强度，能减少体积膨胀的影响，或设计各类空心的、多孔的纳米带、纳米管等，为体积膨胀提供缓冲空间；再者，采用与碳材料复合制备复合材料，改善二氧化硅导电性差的问题。同样不同纳米结构的设计，也可以为离子和电子提供传输通道，从而增强材料导电性。

制备二氧化硅大多采用有机硅源，如正硅酸乙酯等，其毒性高，对身体危害大；各种氧化硅纳米结构的设计，制备工艺复杂，要求严格，产量也不大，限制了未来工业化生产的可能；并且，通常与碳材料的复合也比较简单，碳化处理温度不高。采用简单的化学沉淀法制备氧化硅前驱体并实现碳包覆结构，再通过高温热处理手段使材料在一个比较高的温度环境下煅烧碳化，最终实现碳包覆纳米二氧化硅颗粒的复合结构，不仅材料整体结构稳定、一次产量大，而且高温处理后碳材料导电性更高，是提升氧化硅材料电化学性能的有效方法之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温热处理制备二氧化硅与碳复合材料的方法。该复合材料作为锂离子电池负极材料具有良好的循环稳定性能，应用前景广阔，制备方法简单，操作过程少，可批量化生产。本发明是通过以下技术方案加以实现的，

一种二氧化硅与碳的纳米复合材料，其特征在于，该材料是由碳包覆二氧化硅纳米颗粒复合构成，其中二氧化硅粒径尺寸为10-30nm，碳层厚度为1-10nm，在该复合材料中二氧化硅与碳的质量百分比为：(0.5～0.8):(0.5～0.2)，该二氧化硅与碳的纳米复合材料应用于锂离子电池负极。

本发明同时提供一种通过高温热处理制备上述二氧化硅与碳复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1).以九水偏硅酸钠为硅源，采用化学沉淀反应，按九水偏硅酸钠、无水乙醇、去离子水与浓盐酸摩尔比为(12～15)：(32～36)：(886～892)：(320～325)计，将硅源溶于乙醇与水混合溶液中，快速搅拌加入浓盐酸，静置一段时间后，得到胶状混合物；用去离子水多次冲洗胶状物，使混合溶液呈中性，经超声分散均匀，以多巴胺盐酸盐做碳源，按硅源最终得到的SiO₂与多巴胺质量比为(0.8～1.2)：(0.3～0.6)计，在Tris-HCl缓冲液条件下，连续搅拌进行多巴胺氧化聚合反应，通过水洗离心、烘干和研磨，得到混合粉末。