[发明专利]聚噻吩/硅/石墨复合材料、负极材料及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚噻吩/硅/石墨复合材料、负极材料及制备方法与应用，将聚噻吩、硅粉和石墨按设定质量比球磨设定时间，得到聚噻吩/硅/石墨复合材料。该复合材料制备的锂离子电池负极材料的容量高、稳定性好、倍率性能好。

技术领域

本发明涉及电化学储能材料技术领域，具体涉及一种聚噻吩/硅/石墨复合材料、负极材料及制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

进入21世纪以后，人们对于能源与环境的要求与日俱增，现有的能源体系越来越难以满足工业社会的要求。传统的化石燃料在不可逆消耗的同时，也造成了难以估量的环境问题。因而，开发新的能源系统，尤其是绿色可持续发展的能源显得尤为重要。目前，研究者们已经提出了核能、风能、潮汐能、太阳能等新能源作为替代的选择。虽然这些能源储量丰富、对环境无危害，但是由于技术等其他条件的制约，始终未能大规模地应用到工业体系中。因此，尽快开发一种基础类能源成为了现在科学家们的研究热点。电能作为一种绿色、高效、便捷、经济的能源，被广泛应用在能源、通信传输、化工、民生等各个方面，是科学技术发展、经济发展的主要动力，在人类生活中发挥了重大作用。

二次电池作为一种可充电可循环的电学器件，凭借其使用方便、能量转化率高的优点，正逐步在工业社会中发挥作用。在目前所制备出的二次电池中，铅酸电池、镍镉等电池含有重金属元素，危害生命安全与社会安全，所以制约了其应用发展。而镍氢电池虽然绿色无害，但是电压过低也会影响其商业化运用。而锂离子电池是目前应用最广的二次电池系统，与其他二次电池系统相比，其具有较低的维护要求以及较高的能量密度。所以，锂离子电池也受到了更多的关注。1972年美国Exxon公司研发了首个金属锂二次电池，但其优异的性能却受到了枝晶的影响，导致其安全性难以保证而一直没能商业化。真正意义上的锂离子电池始于1980年Armand的摇椅式电池理论。他提出了用锂盐化合物替代金属锂，金属锂不再以晶体形态存在，而是以离子的形式存在于嵌锂化合物之间。1990年日本Sony公司受到摇椅式理论的启发，于1992年生产出第一个流通于商业中的可充放电式的锂离子电池。从此以后，锂离子电池行业如雨后春笋般成长起来，锂离子电池的应用范围也发散到了各个行业。目前锂离子电池主要应用在智能型小型电子设备方面，但是随着智能手机、笔记本电脑功能逐渐的增多，其耗电量也与日俱增。商业化的锂离子电池已经不能满足日益增长的便携式电子器件、未来的电动汽车以及能源存储构想对于电池能量密度、运行稳定性、系统集成的要求。

石墨类负极作为主要的负极材料，应用已经非常广泛，但是石墨类负极材料容量已做到360mA h g^-1，已经接近372mA h g^-1的理论克容量，再想提升其空间已很难实现。而硅与碳化学性质相近，硅在常温下可与锂合金化，生成Li₁₅Si₄相，理论比容量高达3572mA hg^-1，远高于商业化石墨理论比容量，在地壳元素中储量非常丰富，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。但是，发明人发现，由于硅在充放电过程中容易产生体积膨胀，限制了硅负极的商业化应用。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。