[发明专利]一种硅基负极材料、其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种硅基负极材料、其制备方法和用途。所述方法包括如下步骤：(1)将金属盐、咪唑类有机试剂、硅颗粒和有机溶剂混合，得到包覆有硅纳米颗粒的前驱体；(2)将步骤(1)所述包覆有硅纳米颗粒的前驱体进行炭化处理，得到硅基负极材料。本发明提供的硅基负极材料的制备方法解决了现有技术制备硅基负极材料的关键问题，操作流程简单，无高温高压反应，能耗低，过程清洁无污染，便于工业化制备硅基负极材料。本发明采用三维限域的方法得到的硅基负极材料性能优异，有效的解决了硅在充放电过程中的体积膨胀问题，具有优异的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种硅基负极材料、其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池由于其高能量密度、低自放电、无记忆效应、高安全性能及环境友好等诸多优点备受人们关注，是目前适用范围最广的二次电池之一。负极材料是限制其发展的一个关键因素，目前石墨类负极材料已经无法满足人们日益增长的需求，亟需开发一种新型的、具有更高能量密度的、成本低廉的负极材料。硅作为地壳中含量最为丰富的元素之一，一直受到人们的广泛关注，由于其极高的理论容量(4200mAh/g)，硅被认为是最具有应用前景的负极材料之一。然而，在进行储锂的过程中所产生的巨大的体积变化，对电极结构造成了极大地破坏，严重影响了其循环性能及安全性能，减缓了其商业化应用的步伐。

为克服上述问题，研究人员提出了诸多解决方案。CN109585825A公开了一种双金属MOF前驱体合成的Ni/NiFe₂O₄锂离子电池负极材料，其材料制备流程复杂，无法有效降低制备成本。CN108666573A公开了一种钛基MOF锂离子电池负极材料的制备方法，但是其循环性能较差，无法满足商业需求。CN108767247A公开了一种碳基金属有机框架MOF化合物衍生材料的制备方法，但是其原料成本过高限制了其商业化程度。CN109950492A公开了一种将硅颗粒与石墨烯复合制备硅基复合材料的方法，受限于石墨烯的高昂成本，无法通过该方法进行规模化生产。CN109817952A公开了一种制备硅颗粒分散在碳纳米管等碳基框架的复合材料的方法，但高耗能的制备过程限制了其商业化进程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅基负极材料、其制备方法和用途。本发明提出一种三维限域的方法，提高硅基负极材料的循环性能和倍率性能。其意义在于提供一种制备工艺简单、原料来源丰富、过程清洁无污染的制备方法，并得到性能优异的硅基负极材料。

本发明的目的之一在于提供一种硅基负极材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将金属盐、咪唑类有机试剂、硅颗粒和有机溶剂混合，得到包覆有硅纳米颗粒的前驱体；

(2)将步骤(1)所述包覆有硅纳米颗粒的前驱体进行炭化处理，得到硅基负极材料。

本发明提供的硅基负极材料的制备方法解决了现有技术制备硅基负极材料的关键问题，操作流程简单，无高温高压反应，能耗低，过程清洁无污染，便于工业化制备硅基负极材料。

本发明采用三维限域的方法得到的硅基负极材料性能优异，有效的解决了硅在充放电过程中的体积膨胀问题，具有优异的循环性能和倍率性能。

优选地，步骤(1)所述金属盐、咪唑类有机试剂、硅颗粒和有机溶剂混合的过程包括：将金属盐溶解在有机溶液中形成金属盐溶液，将咪唑类有机试剂溶解在有机溶剂中形成咪唑类有机溶液，将硅颗粒溶解在有机溶剂中形成硅颗粒的悬浊液，然后将所述金属盐溶液、咪唑类有机溶液和硅颗粒的悬浊液混合，得到包覆有硅纳米颗粒的前驱体。

本发明中，金属阳离子与咪唑类有机试剂在混合溶液中进行反应形成络合物，硅颗粒起到晶种的作用，使得反应后形成的络合物沿着硅颗粒的表面进行外延生长，随着反应的进行，硅颗粒被包覆到络合物内，与此同时，络合物的自组装过程使得其不断晶化并形成最终的形貌。