[发明专利]一种水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料及其制备方法和应用

说明书

一种水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池负极材料技术领域。所述水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料以二氧化硅/二氧化钛双网络水凝胶为前驱体，经冷冻干燥和镁热还原生成的由硅钛合金纳米颗粒在三维方向上互连而成的网络材料，钛元素均匀分布于硅钛合金互连网络上。所述硅钛合金互连网络材料在结构上结合了纳米结构单元和三维组装体的结构优势，具有良好的应力释放能力且有利于电子和锂离子的快速传输，具有长的循环寿命和高的倍率性能；在组成上，钛元素均匀分布在硅钛合金互连网络上，可充分发挥钛介质对硅组分的缓冲/导电作用，从而进一步提升硅钛合金互连网络材料的储锂性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和环境友好等优点，已占据便携式移动电子产品市场，并在电动汽车和规模化储能领域显示了诱人的应用前景。当前，锂离子电池的商业化负极材料主要是石墨类碳材料。然而，石墨材料的理论比容量仅为372mA·h·g^-1，这严重制约了高能量密度锂离子动力电池的开发和实际应用。因此，寻求具有高比容量的新型负极材料体系已成为当务之急。

硅具有合金型储锂机制，能表现出高的比容量和好的安全性等优点，有望作为新型负极材料用于下一代高能量密度锂离子动力电池。硅负极材料在室温下的储锂机制如下：这种合金/去合金化的过程在带来极高理论比容量(3578mA·h·g^-1)的同时，也会引起巨大的体积变化进而导致硅基材料的粉化和比容量的快速衰减。当前，研究工作主要从硅基材料的结构和组成两个方面来设计进而改善其储锂性能。一方面，互连网络结构结合了纳米结构单元和三维组装体的结构优势，具有良好的应力释放能力且有利于电子和锂离子的快速传输，因而能表现出长的循环寿命和高的倍率性能；另一方面，将硅与过渡金属特别是金属钛形成合金，利用钛组分可以有效缓冲硅的体积变化并提高合金材料的电荷传输能力，从而显著改善硅材料的储锂性能。因此，硅钛合金互连网络材料在储锂应用上同时具有结构和组成优势，有望表现出理想的储锂性能从而满足高能量密度锂离子动力电池的需求。然而，硅钛合金互连网络材料的制备仍然面临很大的挑战，这限制了硅基合金作为锂离子动力电池负极的商业化应用。因此，研发一种制备硅钛合金互连网络材料的新方法，该方法同时能实现钛元素均匀分布在硅钛合金互连网络上，对于获得高性能硅钛合金负极材料并推进其实用化具有重要的理论和实践意义。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料及其制备方法和应用，具有循环寿命长、倍率性能高以及储锂性能强等优点。

技术方案：一种水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料，所述水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料以二氧化硅/二氧化钛双网络水凝胶为前驱体，经冷冻干燥和镁热还原生成的由硅钛合金纳米颗粒在三维方向上互连而成的网络材料，钛元素均匀分布于硅钛合金互连网络上。

上述水凝胶衍生的硅钛合金互连网络材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一.将正硅酸四乙酯与酸溶液搅拌均匀，然后加入钛酸四丁酯，在30-60℃温度下搅拌0.5-5h至体系呈凝胶状态，将该凝胶密封后在30-60℃温度下静置6-48h使凝胶老化，得到二氧化硅/二氧化钛双网络水凝胶，其中正硅酸四乙酯与酸溶液的摩尔比为(4:1)-(1:4)，正硅酸四乙酯和钛酸四丁酯的摩尔比为(1:1)-(30:1)；

步骤二.将步骤一中得到的水凝胶冷冻干燥得到二氧化硅/二氧化钛双网络气凝胶；

步骤三.将步骤二中得到的气凝胶与镁粉混合，然后对混合物进行热处理，热处理后的混合物经酸洗、干燥后得到硅钛合金互连网络材料，其中气凝胶与镁粉的质量比为(1:2)-(2:1)，热处理气氛为惰性气氛或还原性气氛，热处理温度为600-800℃，热处理时间为0.5-12h。

作为优选，所述步骤一中酸溶液为硝酸、盐酸、硫酸和醋酸溶液中的至少一种。