[发明专利]一种单壁碳纳米管-硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种单壁碳纳米管‑硅碳复合材料及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域。本发明提供的单壁碳纳米管‑硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：将高晶硅、粘结剂和分散剂混合，将所得第一混合料液涂覆在硅碳材料的表面，干燥后进行第一热处理，得到硅‑硅碳材料；将可溶性铁盐、钼酸铵、柠檬酸与水混合，将所得第二混合料液涂覆在硅‑硅碳材料的表面，干燥后进行第二热处理，得到单壁碳纳米管‑硅碳复合材料；所述第二热处理在CH₄和H₂的混合气氛中进行。本发明直接在硅碳材料上生长单壁碳纳米管，操作简单、能耗低，所得复合材料中单壁碳纳米管在硅碳材料上分布均匀，复合材料的导电性能优异。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种单壁碳纳米管-硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，市面上常见的锂离子电池的负极材料大部分是石墨(包括天然石墨和人工石墨)，石墨的理论质量比容量为372mAh/g(实际发挥容量为330～360mAh/g)，对锂电位在0.5V左右，且石墨还具有较差的高倍率充放电性能。因此，单纯用石墨作为锂离子电池的负极材料远不能满足未来高容量电池的需求。硅作为锂离子电池的负极材料时，质量比容量可达4200mAh/g，其体积比容量高达7200mAh/g，且硅本身的成本还非常低。但是，晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，属于半导体，导电性很弱，如果将硅与石墨结合在一起作为锂离子电池的负极，电子与锂离子在该负极上的迁移会比较慢，电池的导电性能会变差。

研究发现单壁碳纳米管的掺入可以很好地解决以上问题。单壁碳纳米管是一种由单层石墨烯片层卷曲而成的一维纳米材料，具有优异的电子性能，尤其是对电子和空穴都具有超高的迁移率，因此可以作为锂离子和电子的优良导体。引入单壁碳纳米管的常规做法是在硅碳负极成型过程中加入单壁碳纳米管，但是该方法难以实现单壁碳纳米管的均匀分布，且操作过程较为繁琐，能耗高。如专利CN 109301215 A公开了一种锂离子电池用碳纳米管复合多孔硅负极材料的制备方法，其中单壁碳纳米管是直接掺杂在纳米硅、石墨和碳源中球磨，继而通过后续步骤制备硅碳负极，球磨过程很难让单壁碳纳米管与纳米硅、石墨等物质在微观上混合均匀，这依然会影响锂离子与电子的传导，且该过程复杂，不利于工业化。专利CN 104617261 A公开了一种锂离子电池硅碳纳米管复合负极材料的制备方法，虽然可以制备出均匀分布的单壁碳纳米管，但该制备方法中需要用到高压条件，能耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单壁碳纳米管-硅碳复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法操作简单、能耗低，所得复合材料中单壁碳纳米管在硅碳材料上分布均匀，复合材料的导电性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种单壁碳纳米管-硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将高晶硅、粘结剂和分散剂混合，将所得第一混合料液涂覆在硅碳材料的表面，干燥后进行第一热处理，得到硅-硅碳材料；

将可溶性铁盐、钼酸铵、柠檬酸与水混合，将所得第二混合料液涂覆在硅-硅碳材料的表面，干燥后进行第二热处理，得到单壁碳纳米管-硅碳复合材料；所述第二热处理在CH₄和H₂的混合气氛中进行。

优选地，所述粘结剂包括聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚甲基纤维素和聚乙二醇中的至少一种。

优选地，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、马来酸酐、苯乙烯和聚氧乙烯辛基苯酚醚中的至少一种。

优选地，所述粘结剂的质量占第一混合料液质量的1～10％，所述分散剂的质量占第一混合料液质量的1～10％；所述第一混合料液在硅碳材料表面的涂覆量为0.5～10mg/cm²。

优选地，所述第一热处理在保护气氛中进行；所述第一热处理的温度为400～600℃，时间为0.5～3h。