[发明专利]一种制备超组装的硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料的方法

说明书

本发明涉及一种制备超组装的硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料的方法，将硅烷和三苯基锡化氢在室温下密封于石英管中，将石英管置于马弗炉中，以每分钟5℃的速率升温至200℃，并保持2小时，随后以每分钟10℃的速率升温至800℃，并在800℃的环境下保持5小时，最后在石英管中注入乙醇超声震荡，离心得到黑色粉末最终产物。与现有技术相比，本发明采用的方法合成的硅纳米点碳骨架材料具有高可逆储锂容量、卓越的循环性能以及优异的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种结构可控的无机材料的制备方法，尤其是涉及具有出色锂电性能的由空间限域原子簇催化的策略一步制备得到超组装的硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料的方法。

背景技术

对于便携式电子设备和电动/混合动力车辆中的应用，开发具有更高能量容量和更长循环寿命的可再充电锂离子电池(LIB)的强烈需求。然而，使用具有低比容量的石墨阳极的现有LIB不能满足严格的要求。由于其理论锂储存容量高(Li₂₂Si₅为4200mAh g^-1)，Si被认为是最有希望的负极材料之一，约为商用石墨容量的十倍，以及其适度的锂吸收潜力(0.4V vs Li/Li⁺)和天然丰度。然而，在充电/放电过程中Si电极的严重的体积变化(～400％)经常引起电极粉碎和活性材料损失，从而导致电池的整体性能劣化。另外，作为半导体材料，Si还具有低电导率和差的电子传输。为了解决问题，已经将具有良好导电性和优异机械性能的碳材料强烈地引入到Si基阳极中以适应体积变化并同时改善电极的电导率。先前报道的通过两种组分的物理混合制备的Si/C复合材料经常引起弱的界面相互作用和两种组分的不均匀分散，这对界面处的电子转移和复合阳极的循环稳定性不利。

值得注意的是，基于金属催化剂的化学气相沉积(CVD)策略，其中催化剂纳米颗粒分散在必要的基底上作为用于原位生长具有气-液-固(VLS)机制的Si纳米线的催化位点，提供了均匀的良好可能性。将Si锚固成Si/C复合材料中的碳基体。然而，将金属催化剂引入碳基质主要是通过物理溅射或化学沉积的额外操作，遇到复杂的工艺和金属催化剂的不良分布。此外，Si的催化生长主要在无限制空间内进行，不间断的Si源进料，导致Si的过度生长和长纳米(数百纳米～微米)的Si纳米线的形成。此外，在大多数情况下，所用的催化剂是具有相对大直径的纳米颗粒的形式，根据催化生长机理，其导致产生大直径Si纳米线(超过50nm)。原则上，具有长长度和大直径的Si纳米线不利于通过Si-碳界面从Si到集电器的电子转移和Si的体积变化抑制。因此，非常需要开发用于制造具有用于高性能LIB的有利结构的Si/C复合材料的简单且有效的金属催化策略。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有出色锂电性能的由空间限域原子簇催化的策略一步制备超组装的硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料的方法，解决了现有技术中无法控制Si颗粒大小以及Si负极材料在循环过程中稳定性差的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种制备超组装的硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料的方法，包括：

将硅烷与三苯基锡化氢混合并密封在反应器中；

将反应器置于马弗炉中，控制升温速率进行高温反应；

在反应器中注入乙醇超声震荡，离心得到硅纳米点嵌入碳骨架储锂材料。

所述硅烷为一苯基硅烷、二苯基硅烷、三苯基硅烷或四苯基硅烷。

进一步的，所述硅烷采用二苯基硅烷。原因在于有较高Si含量的同时，碳材料也能均匀的分布在Si颗粒旁边，将Si颗粒限制在较小的尺寸内。

所述硅烷与三苯基锡化氢按Si:Sn的摩尔比为10:1～20:1的比例进行混合。

进一步的，所述硅烷与三苯基锡化氢按Si:Sn的摩尔比为15:1的比例进行混合。