[发明专利]一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，将酚醛树脂作为碳源加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，将得到的混合溶液进行超声，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；将其在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，冷却至室温后，将热解产物进行研磨到微米级，得到Si/C纳米复合阳极材料。本发明采用酚醛树脂作为碳源，结合超声法制备含纳米硅的多孔炭，碳的孔隙和碳层之间丰富的空间为碳和锂离子的反应提供了更多的界面，从而大大提高硅的电化学性能，减少容量下降，经测试比容量高达880mA h g^‑1，电流密度为100mA g^‑1，循环500次后仍有容量保持率。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池的发展一直备受关注，但市场上现有的石墨烯材料作为电池电极其电容量十分有限(在100mA/g的电流密度下电容量大约为370mAh/g)。人们已经研究了许多具有改性结构的前体以改善阳极材料的性能，而硅基聚合物陶瓷(PDC)材料是一种比较好的候选材料(理论电容量在4000mAh/g左右)。但是硅基电极在充放电的过程会发生体积的膨胀，导致其表面破碎从而使其量迅速降低。这限制了硅基正极材料的广泛应用。使用双掺杂的石墨烯(NSGs)可以有效提升电极的性能，这是由于掺杂石墨烯中杂原子的协同作用。对石墨烯片的掺杂方法有两种，一种是对石墨烯前体用带有活性杂原子的物质处理如硼烷、氨、离子液体和三苯基膦。另一种方法是让杂原子和石墨烯进行高温热转化，使得杂原子进入到碳骨架中。但是这些方法会使处理过的石墨烯发生聚集现象从而降低其性能。

由于现有方法合成的的硅电极材料合成方法复杂，合成成本高，不利于大规模生产，且在充放电过程中会发生体积变化使得电容密度下降。因此，提供一种容量保持率高、固有电导率高低、制备方法简单、可大规模生产的硅/碳纳米复合材料阳极及其制备方法是非常有必要的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；

S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。

优选地，所述酚醛树脂的具备制备过程如下：

将苯酚、37％甲醛和草酸充分溶解在水溶剂中，得到混合溶液，将混合溶液在常温进行回流反应，反应时间为0.5～1h；然后向反应产物中加入一定量的水进行沉淀，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时，得到聚合物，将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，即得到所述酚醛树脂；

其中，每升水溶剂中溶解有100mol的苯酚，85mol的37％甲醛，10mol的草酸。

更优选地，对所述酚醛树脂进行热解的升温速率为5℃/min。

优选地，所述Si/C纳米复合阳极材料的尺寸为20～30μm。

本发明还提供了上述任一方法制备得到的Si/C纳米复合阳极材料。

本发明还提供了上述Si/C纳米复合阳极材料在锂离子电池中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：