[发明专利]一种高比容量锂离子电池硅负极材料制备方法

说明书

本发明提供了一种高比容量锂离子电池硅负极材料制备方法，包括如下步骤：步骤1）碳纳米管复合材料Ce‑808/CNT的制备，步骤2）Stober法合成纳米SiO2,步骤3）Mg热还原法制备纳米级硅粉,步骤4）生成物处理：反应完毕，拆除反应柱；将反应柱中的褐色粉末倒至一个烧杯中，用勺子将其碾碎成粉末状。本发明中镁热还原虽然温度高副反应多，但杂质均可被酸处理掉。高温下可以实行形貌的控制，生成单质硅，具备尺寸均匀，孔径分布均一的特点，良好的形貌有助于性能提升，构效分析结果准确。

技术领域

本发明属于高比容量锂离子电池硅负极材料的制备技术领域，具体涉及一种高比容量硅负极材料制备方法。

背景技术

能源是我们赖以生存和发展的物质基础。传统的化石燃料如煤炭、石油以 及天然气等能源面临着储量下降和高污染等问题，无法满足未来社会对高效、清洁、经济、安全性能源体系的要求。故而，新能源及其技术的开发迫在眉睫。 理离子电池作为新一代“绿色二次电池”，具有开路电压高、能量密度大、寿命 长、无污染及自放电小等优点，锂离子电池被认为是最理想的能量储存和转换的工具。

目前，商用的锂离子电池主流的正极材料主要有LiCoO₂和LiFePO₄;负极材料主要是石墨，理论比容量为372 mAh/g。以上电极材料的使用有20多年的历史，组装成全电池的能量密度为120-200 Wh/Kg，通过优化电池制备工艺来提高电池性能已难以取得突破性进展。因此，探索新型的高比容量的电极材料已成为锂离子电池发展的关键。因正极材料的可逆比容量提升空间较小，所以目前提升负极材料的可逆比容量是提高锂离子电池能量密度的关键。尽管商业化的石墨类材料容量是现有正极材料容量的两倍，通过模拟计算，在负极材料可逆容量不超过1200 mAh/g的情况下，提高现有负极材料的容量对整个电池的能量密度仍然有较大贡献。

硅是一种对环境友好且分布广泛的物质。由于其理论比容量高达4212 mAh/g（Li₂₂Si₅），十倍于石墨（LiC₆，372 mAh/g），因此它被认为是最有可能取代锂离子电池传统石墨负极的材料之一。然而，硅的高比容量却伴随着同锂形成合金时带来的巨大体积变化（约300%），这种巨大的体积变化会造成电极严重的崩裂和粉碎。所以，业界的许多研究者尝试了许多种策略，以规避硅负极材料在充放电循环中的劣化，如减小粒径、制备活性/惰性复合材料、制备硅薄膜、合成一维硅纳米结构、使用其他粘合剂等等。此外，业界还对硅负极的机理进行了研究，从晶体结构、相变、形变、反应动力学等方面来理解锂离子是如何在硅负极的充放电循环中进行电化学嵌入和脱出的。尽管到目前为止，接近理论容量的硅负极材料的大规模商业生产还未能实现，但业界已有望发展出在比容量上比石墨高出3到5 倍的硅负极材料。

硅负极的失效很大程度上是由于在硅嵌锂和脱锂的过程中巨大的体积膨胀造成Si颗粒产生裂纹和破裂造成的。为了降低硅负极的体积膨胀，人们开发了SiOx材料，相比于纯Si材料，其体积膨胀明显降低，其与C复合材料是一种性能较好的硅负极材料，也是目前实际应用较多的一种硅材料，但是该材料在实际使用中仍然存在硅负极失效的问题，研究发现失效与Li+嵌入速度和电解液种类，更为关键的是与Si负极的微观结构有密切的关系。