[发明专利]一种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料的方法

说明书

本发明提供了一种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料的方法，将氧化剂溶于易挥发的溶剂中，再将硅的固体粉末浸润在氧化剂溶液中，将混着Si的固体粉末的氧化剂溶液转移至器皿中，待其挥发完全后，将附着氧化剂分子的Si的固体粉体的器皿置于吡咯蒸汽中，得到具有聚吡咯膜包覆的Si的固体粉末，即制得表面具有均匀聚吡咯层的锂离子电池硅基负极材料。气相氧化聚合的反应过程可以使Si的颗粒表面得到完整的聚吡咯包覆，由于聚吡咯是高分子聚合物，具有一定延展性，能在一定程度上改善硅在循环过程中的膨胀粉化问题，提高该材料在锂离子电池中的电化学性能，并展现硅的超高比容量的特点。

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种电池电极材料，具体来说是一种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料的方法。

背景技术

在当前化石能源危机和环境污染日益严重的背景下，可再生的清洁能源应运而生，也同时带动了电化学储能技术的飞速发展。与其他众多的可充电电池相比，锂离子电池因具有高的能量密度(120～200Wh kg^‐1)、长的循环寿命以及无记忆效应等优势，在便携式高容量储能设备领域有广阔的运用前景。但随着电动(或混合动力)汽车、便携式设备的不断更新换代，就需要锂离子电池具有更高的能量存储性能和更长的循环寿命。因此，开发具有高容量和长循环寿命的电极材料是最关键的因素。

目前，在商业化锂离子电池中的负极一般是石墨负极，其理论容量很低(～372mAhg^‐1)，已经无法满足加速发展的社会需求。硅基负极材料，因其具有高的理论容量(～4200mAh g^‐1，Li_4.4Si)、低的嵌锂电位(～0.4V vs.Li/Li⁺)、环境友好、资源丰富等有点，有可能成为下一代高性能锂离子电池负极的明星材料。但是硅的两大本质问题，限制了其的应用和发展：1).将硅直接作为锂离子电池的负极材料，在充放电过程中会发生巨大的体积变化(～300％)，使硅的结构发生破坏，严重影响了活性物质硅的利用率，造成电池容量的大幅度衰减；2).硅的电导率很低，制备电极是，需要加入导电剂(炭黑)，从而降低电极的能量密度。

近年来，研究者为了解决上述问题进行了大量的科学研究，以提高硅基电池的容量和循环寿命。

而采用气相聚合制备高容量锂离子电池硅基负极材料及快速制备方法未见报道。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料的方法，所述的这种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料的方法要解决现有技术中的锂离子电池负极材料电化学性能低、尤其是容量低的技术问题。

本发明提供了一种快速制备高容量锂离子电池硅基负极材料方法，包括如下步骤：

1)称取氧化剂，将所述的氧化剂溶于易挥发的溶剂中，所述的氧化剂溶液中，氧化剂的质量分数为5～95％；所述的氧化剂选自氯化物、P‐甲苯磺酸盐、苯磺酸盐、4‐乙烷基苯磺酸盐、4‐N‐辛基苯磺酸盐、十二烷基苯磺酸盐、1,3,3‐三甲基苯磺酸盐、m‐二甲苯‐4‐磺酸盐、四乙铵‐P‐甲基苯磺酸盐或者硫代硫酸盐；所述的易挥发的溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙二醇、乙腈、乙醚或者正丁醇；

2)称取纳米级Si固体粉末，所述的纳米Si固体粉末的粒径在20‐500nm之间，并充分浸润在所述的氧化剂溶液中；

3)将浸润了氧化剂和Si固体粉末的混合溶液，转移至一个器皿中，并在30～70℃下使有机溶剂挥发；

4)待有机溶剂挥发完全后，在Si纳米颗粒的表面形成一层氧化剂膜；

5)在常温下，将步骤4)的器皿置于吡咯蒸汽中，使吡咯单体与Si表面的氧化剂分子发生聚合反应，发生的聚合反应时间为5min‐48h，得到由聚吡咯包覆Si的固体粉末；