[发明专利]一种改性多孔硅碳复合材料

说明书

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种改性多孔硅碳复合材料。本发明的改性多孔硅碳复合材料由相变复合材料对多孔硅碳复合材料表面修饰制得；其中所述多孔硅碳复合材料由包括以下步骤的方法制备：将硅凝胶、双氧水、氧化石墨烯、苯胺类化合物与水混合后进行水热反应，然后固液分离，得固体，然后对所得固体进行冷冻干燥；所述苯胺类化合物为苯胺或烷基取代的苯胺；相变复合材料包括相变材料、分散剂和导电碳。本发明的改性多孔硅碳复合材料作为负极材料时，具有较好的循环稳定性以及倍率性能；并且表面的相变材料能够在温度过高时吸收热量，从而提高了安全性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种改性多孔硅碳复合材料。

背景技术

硅材料以其比容量高、来源广泛、价格低廉等优点而有望取代石墨类负极材料，但是硅材料的导电率较差，并且在充放电过程中存在严重的体积效应，体积膨胀高达400％，在膨胀过程中产生的机械作用力致使电极结构破坏和硅材料粉化失效，从而影响了电池的循环性能和倍率性能。

目前，常通过将硅材料与其他材料如碳材料复合的方式来提高硅材料的性能。如公告号为CN105226285B的中国专利文件中公开了一种多孔硅碳复合材料及其制备方法，主要是通过硅-活泼金属合金与液相造孔剂反应并且采用氢氟酸清洗，之后经聚合物包覆、高温煅烧得到多孔硅碳复合材料。该多孔硅碳复合材料具有较好的比容量及循环性能，但是其孔径大小难以精确控制，使得材料的一致性较差；并且在该复合材料在锂离子电池中使用时，当电池温度升高时仍存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的还在于提供一种改性多孔硅碳复合材料，采用该改性多孔硅碳复合材料的锂离子电池具有较好的安全性能。

为实现上述目的，本发明的改性多孔硅碳复合材料采用的技术方案为：

一种改性多孔硅碳复合材料，由相变复合材料对多孔硅碳复合材料表面修饰制得；所述多孔硅碳复合材料由包括以下步骤的方法制备：将硅凝胶、双氧水、氧化石墨烯、苯胺类化合物与水混合后进行水热反应，然后固液分离，得固体，然后对所得固体进行冷冻干燥；所述苯胺类化合物为苯胺或烷基取代的苯胺；所述相变复合材料包括相变材料、分散剂和导电碳。

在多孔硅碳复合材料的制备过程中，所用双氧水为具有弱氧化性，能够使氧化石墨烯表面更多的羧基和/或羟基，并且不会破坏氧化石墨烯的结构。所用苯胺类化合物作为氮源，其中的氨基能够与氧化石墨烯表面的羧基或羟基作用形成稳定的结构，并且苯环结构有利于电子传输，从而能够提高多孔硅碳复合材料的电子导电性。优选的，苯胺类化合物为烷基取代的苯胺。烷基取代的苯胺中的烷基取代基中碳原子个数为1～3。烷基取代的苯胺可以为单取代也可以为多取代。优选的，所述烷基取代的苯胺为均三甲基苯胺。

在多孔硅碳复合材料的制备过程中，通过水热反应将硅凝胶、氧化石墨烯以及苯胺类化合物均匀地混合，形成均一的水热反应产物，提高了材料的结合力以及一致性；采用冷冻干燥法可以在保持材料结构的同时增加材料的孔洞。因此得到的多孔硅碳复合材料为具有多孔结构的掺氮氧化石墨烯与硅化合物的复合体，多孔结构的存在能够降低硅的膨胀率，从而提高了循环稳定性；其中掺氮氧化石墨烯作为碳材料具有较好的导电性，从而提高了倍率性能。

本发明通过在多孔硅碳复合材料表面修饰相变复合材料得到改性多孔硅碳复合材料，相变复合材料中的相变材料能够在温度升高时吸收热量，并且相变复合材料中的导电碳进一步提高了材料的导电性。因此，本发明的改性多孔硅碳复合材料作为电池的负极材料使用时，具有较好的循环稳定性以及倍率性能，并且在电池温度过高时由于相变材料的存在能够降低电池的热失控机率，从而具有较好的安全性能。在电池温度升高时，相变材料的阻抗增加，防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控，同时相变材料有助于提高改性多孔硅碳复合材料形成的SEI中无机锂的比例，提高SEI膜的耐高温性能，提高材料的耐高温性能，从而提高安全性能。