[发明专利]一种氧化硅-锂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化硅‑锂复合材料及其制备方法和应用。所述氧化硅‑锂复合负极是由偕老同穴化石被剪成单层片状结构的氧化硅框架样品后与锂片的一面经物理复合得到，所述锂片被氧化硅框架样品完全覆盖。本发明提供了所述的氧化硅‑锂复合负极在锂金属电池中的应用，能显著提高锂电池的倍率性能以及循环稳定性和使用寿命。

(一)技术领域

本发明属于锂电池领域，提供了一种氧化硅-锂(SiO₂-Li)复合负极及其制备方法。

(二)背景技术

为了延长便携式电子产品的使用时间以及电动汽车产业的可行驶里程数，寻找可以替代锂离子电池的高能量密度电池成为目前能源研究的目标。而锂金属处于化学元素周期表第二周期第I主族，具有很活泼的化学性质，由于其高理论比容量(3860mAh/g)、低电位(-3.04Vvs)标准氢电极)进入人们的视野。这些特性保证了锂金属在全电池中可以提供高于所有其他阳极材料的能量密度。因此，使用可充电电池的锂金属阳极是向高能量密度储能装置发展最有前途的策略之一。

然而，金属锂电池的应用发展仍受到不小的限制，因其循环过程中金属锂在阳极不断沉积析出，造成表面电流密度不同产生锂枝晶，导致安全系数低、易与电解液发生反应造成库伦效率降低、循环效率差、易短路爆炸等问题。解决问题关键是可有效地抑制锂金属电池中锂枝晶对不稳定固态电解质膜(SEI膜) 的刺穿。研究者相继提出各种方法，解决思路主要集中在通过人工SEI膜保护锂金属阳极、优化电解液、修饰隔膜、搭建新型集流体材料等。对于高性能锂金属电池而言，锂金属负极表面形成的一层稳定的SEI膜是改善其性能的关键所在。大量的研究表明，含硅基SEI的界面工程构筑可有效地调控SEI抑制锂枝晶生长。现有报道可通过添加氧化硅粉末经高温烧结等一系列高耗能的过程获得含氧化硅的隔膜，在电池循环中去构造硅基SEI。

在目前研究硅基SEI的基础中，发现存在着合成工艺复杂、结构调控困难、成本较高等诸多问题。由此，本课题组拟采取生物非晶氧化硅修饰的锂负极来调控诱导硅基SEI的形成，以一定机械压力进行物理复合的方式将锂金属与天然生物非晶氧化硅纳米颗粒进行整合，抑制锂枝晶的生长，稳定内部界面，此发明的优势为利用天然的海洋生物材料，合成工艺简单、低耗能，利于对锂电池内部结构进行调控，同时可提高锂金属电池的电化学性能。

(三)发明内容

本发明要解决的第一个问题是提供一种以生物硅化材料——无定型氧化硅纳米颗粒自组装而成的“携老同穴”作为金属锂负极保护材料的氧化硅-锂复合负极。

本发明要解决的第二个技术问题是利用生物硅化材料——无定型氧化硅纳米颗粒自组装而成的“携老同穴”作为金属锂负极保护材料，提供一种氧化硅- 锂(SiO₂-Li)复合负极的制备方法。

本发明要解决的第三个问题是提供所述氧化硅-锂复合负极在锂金属电池中的应用，以显著提高锂电池的倍率性能以及循环稳定性和使用寿命。

下面具体说明本发明的技术方案。

第一方面，本发明提供了一种氧化硅-锂(SiO₂-Li)复合负极，其是由偕老同穴化石被剪成单层片状结构的氧化硅框架样品后与锂片的一面经物理复合而得到，所述锂片被氧化硅框架样品完全覆盖。

第二方面，本发明提供了一种氧化硅-锂(SiO₂-Li)复合负极的制备方法，包括如下步骤：

(1)将携老同穴化石清除头部及尾部，剪成单层片状结构，先后经蒸馏水洗涤、酒精清洗，最后干燥得到氧化硅框架样品；