[发明专利]一种多重缓冲结构硅基负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多重缓冲结构硅基负极材料及其制备方法，属于材料加工技术领域。

背景技术

煤、天然气、石油等是目前应用量较大的传统能源，推动着工业和整个社会的发展。但随着经济的快速发展，人类加大了对化石燃料的消耗，导致环境污染的问题进一步恶化，己经严重影响到了人类的生存。化石燃料是碳元素为主的能源物质，化石燃料的大量燃烧势必会产生大量的二氧化碳，而二氧化碳作为温室气体，必将提升全球温度，导致海平面升高，天气变化无常，人类可活动范围逐渐减少。而化石燃料中其他元素，例如N、S等，它们一部分会生成酸性氧化物，与空气中的水滴结合形成酸雨，腐蚀建筑，酸化土壤，危害农业；另一部分形成气溶胶系统，其大量聚集就变成了霾，影响生态环境，危害人类身心健康。为了缓解环境污染所带来的影响，人类不得不降低化石燃料的使用率，将目光转移到清洁能源上。清洁能源是指不排放污染物的能源。除核能之外，主要包括水力发电、风力发电、太阳能、沼气等可再生能源，但这些能源大多需要大型的转化设备，且受环境影响大，能源利用率低。而锂离子电池作为清洁能源之一，具有能量密度大、寿命长、小巧轻便等优点，不仅在微小型电器领域已经得到广泛应用，而且随着在电动汽车动力系统和智能电网储能装置等大型化设备的应用发展，将成为当前研究和应用最受关注的清洁能源之一。

几年，国家大力支持新能源汽车的发展，锂离子电池也将随之朝着高功率、高能量、高循环寿命的方向不断发展。锂离子电池主要由正极、隔膜、负极、有机电解液、电池外壳组成。其中正极、负极、隔膜、有机电解液所占价值比较大，为锂离子电池的核心部件。

在负极材料研究早期阶段，锂通常作为锂离子电池的负极材料。在充放电过程中，锂可以达到一定的比容量，但从正极返回的锂离子会在锂片表面堆积，形成锂枝晶，刺穿隔膜，导致电池短路，甚至是爆炸。所以锂作金属负极，安全隐患极大。为了解决这个问题，许多研究都寻找金属锂的替代材料。主要研究范围为碳类材料、金属及金属化合物。由于锂离子要能够嵌入负极材料中，并保持一个稳定的状态，所以碳类负极材料成为了安全性最好的负极材料。碳类材料与锂离子的电化学反应接近金属锂，锂在负极脱嵌时，碳类材料的晶体结构能保持稳定，用碳类材料做负极的锂离子电池具有良好的循环使用性能，但是，现在使用的负极材料石墨材料，自锂离子电池商业化以来，实际放电比容量己经接近372mAh/g的理论值，成为制约锂电池继续发展的瓶颈，寻找高比容量的新型负极材料成为目前负极材料研究重点。

硅负极材料具有超高的放电比容量，可替代碳类材料，提高碳负极材料的放电比容量，但是，硅在嵌锂过程中，会发生巨大的体积变化，严重破坏电极稳定，而且硅是半导体材料，其导电性能较差，硅材料的循环寿命较差，首次充放电效率较低，复杂的制备工艺使许多影响因素难以控制，导致材料性能不稳定。

所以负极材料影响着锂离子电池的性能。为了使锂离子电池性能达到最优化，负极材料应满足以下条件：

(1)负极材料电势尽可能低，与正极材料形成较大的电势差。电势影响着电池中的电化学反应，所以负极材料的电势应趋近于锂的电化学电势；

(2)材料结构稳定，锂离子在负极发生嵌入和脱嵌时，材料晶体结构不能发生显著变化；

(3)材料具有较高的锂离子扩散系数；

(4)材料具有较高的电子电导性；

(5)材料致密度适宜，具有较高的电极密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对硅在嵌锂过程中，发生巨大的体积变化，严重破坏电极稳定，而且导电性能较差，复合材料的循环寿命较差，首次充放电效率较低，复杂的制备工艺使许多影响因素难以控制，导致材料性能不稳定的问题，提供了一种多重缓冲结构硅基负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

由纳米硅粉表面包覆纳米二氧化钛层，再包覆无定形碳层制成。

所述纳米硅粉为325目筛微米硅在氩气氛围下球磨10～12h制得。

所述包覆纳米二氧化钛层为将纳米硅粉超声分散在钛酸四丁酯与乙醇的复合水溶液中，经喷雾干燥制成。

所述纳米硅粉与钛酸四丁酯的摩尔比为1：4。

所述喷雾干燥进风温度为250～270℃，出风温度为110～120℃。

所述包覆无定形碳层为将二氧化钛包覆硅超声分散在蔗糖乙醇溶液中，再在80～90℃下蒸发至干并置于管式炉中，保温反应后研磨制成。

所述蔗糖与二氧化钛包覆硅的质量比为3：7。