[发明专利]一种Si/C复合材料的制备方法及其储能应用

说明书

一种Si/C复合材料的制备方法及其储能应用，涉及锂离子电池电极材料领域。首先以倍半硅氧烷作为原料在一定温度下进行还原反应，得到预产物；后利用盐酸和氢氟酸处理除去副产物，干燥得到Si/C复合材料。将该材料制备成为锂离子电池负极材料，此电极材料在200mA/g的电流密度下，循环50圈稳定的可逆储锂比容量达到800～1500mAh/g，容量保持率高于70％，具有高的放电比容量和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料领域，特别涉及一种锂离子电池用Si/C负极材料的制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种优越的二次电池，具备了能量密度高，循环寿命长，绿色环保等一系列的优点，与铅酸蓄电池相比，同体积的锂离子电池质量仅为蓄电池的1/6～1/5。因而在电站的储能电源系统、航空航天、电动汽车等领域都有着十分广泛的应用。

硅基负极材料在所有材料中具有最高的理论比容量，其比容量是目前商用石墨负极材料的10倍，同时由于硅在自然界的丰富储量，使得硅基负极材料在锂离子电池中的应用受到了广泛的关注。但是硅基负极材料在循环过程中的体积效应问题使得容量发生快速衰减，因此对硅基材料进行改性以抑制其体积效应问题显得尤为重要[Ashuri M,He Q,Shaw L L.Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries:wheresize,geometry and structure matter[J].Nanoscale,2015,8(1):74-103]。

近年来，Si/C复合材料在锂离子电池负极材料中的应用越来越受关注。Niu J.等采用纳米硅粉和氧化石墨烯为原料，利用静电作用自组装形成了Si@SiOx@石墨烯复合材料，并且将其应用于锂离子电池负极材料，表现出了良好的比容量和循环性能[Niu J,Zhang S,Niu Y,et al.Direct amination of Si nanoparticles for the preparationof Si@ultrathin SiOx@graphene nanosheets as high performance lithium-ionbattery anodes[J].Journal of Materials Chemistry A,2015,3(39):19892-19900]。Jung-Keun Yoo等利用廉价的沙子作为原料，利用镁热还原制备多孔硅材料，而后利用苯胺为碳源对该多孔硅材料进行碳包覆得到Si/C复合材料，将其作为锂离子电池的负极材料，表现出较高的储锂容量[Yoo J,Kim J,Choi M,et al.Extremely High Yield Conversionfrom Low‐Cost Sand to High‐Capacity Si Electrodes for Li‐Ion Batteries[J].Advanced Energy Materials,2015,4(16)]。但是目前Si/C复合材料的制备均是通过对原料硅进行后续的碳包覆处理或是原料二氧化硅进行碳包覆后还原制得，其制备工艺复杂，不利工业化的实现。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种基于倍半硅氧烷为原料制备Si/C复合材料的方法，按下列方法制得：

步骤一:以硅氧烷作为原料，在有机溶剂和水的混合物中，在室温下以碳酸钾或盐酸作为催化剂通过水解-缩聚反应得到功能基倍半硅氧烷；

步骤二：取步骤一所得的产物功能基倍半硅氧烷，与过量的金属还原剂混合均匀后置于高温碳化炉内，惰性气氛下在一定温度下还原一定的时间，结束后洗去反应副产物，干燥即可得到Si/C复合材料。

步骤一，有机溶剂和水的混合物中水的量至少不低于水解所需的量。有机溶剂为能够溶解所述的硅氧烷的有机溶剂。

所用得到的功能基倍半硅氧烷优选为十二苯基倍半硅氧烷、八苯基倍半硅氧烷、体型苯基倍半硅氧烷、八氨基倍半硅氧烷或乙烯基倍半硅氧烷中的一种。