[发明专利]硅/碳纳米管/碳微米线及其制备方法及应用

说明书

本发明属于复合材料技术领域，提供了一种硅/碳纳米管/碳微米线及其制备方法及应用。该制备方法包括以下步骤：将硅纳米粒子加入纤维素溶液中，进行第一次超声处理，再加入碳纳米管，进行第二次超声处理，获得混合溶液；将所述混合溶液先冷冻处理，再进行冷冻干燥处理，获得硅/碳纳米管/纤维素微米线气凝胶；将硅/碳纳米管/纤维素微米线气凝胶进行压力处理，再在保护气环境中进行碳化处理，获得硅/碳纳米管/碳微米线。本发明通过简单的工艺过程制备获得具有独特结构的微米线，碳纳米管沿着微米线轴向排布互相交织，并与纤维素经碳化处理后形成的碳单质一同形成了笼状结构，将硅纳米粒子牢牢的封装在其中。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及硅/碳纳米管/碳微米线及其制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应和环境友好等众多优点，已经在智能手机、智能手环、数码相机和笔记本电脑等消费电子领域中获得了广泛地应用，具有最大的消费需求。同时，它在纯电动、混合电动和增程式电动汽车领域正在逐渐推广，市场份额的增长趋势最大。另外，锂离子电池在电网调峰、家庭配电和通讯基站等大型储能领域中也有较好的发展趋势。

单质硅具有极高的理论容量3579 mAh·g^-1，广泛的来源和低的工作电压等优势被认为是下一代锂离子电池负极材料最理想的候选材料之一。然而，硅在充放电时，锂离子的嵌入和脱出过程会造成巨大的体积变化（400 %），使得电极材料的脱落以及不良的电极-电解液接触，加上硅具有较低的导电性，导致循环性能差、倍率性能不佳和固体电解液界面的不稳定性，最终使硅在商业硅碳电极应用中仍具有很低的含量。

目前，大量的研究往往通过将硅的特征尺寸减小到纳米级，设计并构筑多孔或中空的纳米结构，并与导电的碳相结合的策略来缓解硅的体积膨胀和导电性低的问题。尽管硅在电极中的含量有所增加，但是这些改性依旧难以达到一个令人满意的硅含量，电极中硅的含量依旧小于70%。此外，这些复杂的纳米构筑大多难以承受工业电极制备过程(如研磨、涂覆和辊压)中的高机械应力，导致实用性有限，难以商业化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种可应用于锂离子电池负极材料的硅/碳纳米管/碳微米线，以提高锂离子电池的倍率性能，循环性能和比容量。

第一方面，本发明提供一种硅/碳纳米管/碳微米线的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：将硅纳米粒子加入纤维素溶液中，进行第一次超声处理，再加入碳纳米管，进行第二次超声处理，获得混合溶液；

步骤S2：将所述混合溶液先冷冻处理，再进行冷冻干燥处理，获得硅/碳纳米管/纤维素微米线气凝胶；

步骤S3：将所述硅/碳纳米管/纤维素微米线气凝胶进行压力处理，再在保护气环境中进行碳化处理，获得硅/碳纳米管/碳微米线。

可选地，所述步骤S1中，所述硅纳米粒子、所述纤维素溶液与所述碳纳米管的重量比为（6～14）：（2～100）：（1～4）。

可选地，所述步骤S1中，所述纤维素溶液中的溶剂为水、乙二醇、丙二醇、丙三醇或季戊四醇，溶质为细菌纤维素或植物纤维素。

可选地，所述步骤S1中，所述硅纳米粒子的粒径尺寸为1~500nm。

可选地，所述步骤S1中，所述第一次超声处理是在溶液温度为0～15ºC、超声功率为100～1000W的条件下超声1～30min，所述第二次超声处理是在溶液温度为0～15ºC、超声功率为100～1000W的条件下超声1～30min。

可选地，所述步骤S2中，所述冷冻处理温度为−193~−5℃，处理时间为12～24h；

所述冷冻干燥处理的时间为24～64h，真空度为1~10 Pa。