[发明专利]一种层状SiOx材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种层状SiOx材料，是呈手风琴形状的层状微米级颗粒，所述SiOx材料的粒径尺寸为0.5～20μm，任意相邻层间均存在纳米级宽度的狭缝空隙，所述狭缝空隙的宽度为1～50nm，单个片层厚度为30～40nm；制备方法为：溶解CaSi₂中的Ca得到层状硅氧烯材料；高温煅烧脱去硅氧烯表面的氢键、羟基等，得到SiOx材料。本发明制备工艺简单，流程少，对设备要求不高，易于产业化大量生产，并且得到的2D层状SiOx材料不需包覆可以直接用作锂离子电池负极材料，表现了优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，更具体的说是涉及一种层状SiOx材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池以其能量密度高、工作电压高、循环性能好、自放电率低、环境危害小等突出优势在移动电子终端设备领域占据主导地位，也是电动交通工具和规模化储能的理想电源系统。随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，对锂离子电池的需求和性能要求急剧增长，锂离子电池急需向更高能量密度方向发展。负极材料是影响锂离子电池能量密度的重要因素。石墨类负极材料(理论容量仅372mAh·g^-1)是目前商业化锂离子电池使用的主要负极材料，已不能满足高比能量锂离子电池的需求。因此，寻找超高储锂能力的负极材料以替代石墨类材料一直是锂离子电池领域的研究热点。在非碳负极材料中，硅以其超高的容量优势和适宜的脱/嵌锂电位成为最有前途的下一代锂离子电池负极材料之一。

硅具有极高的理论比容量、较低的脱嵌锂电位(低于0.5V vs Li/Li⁺)、储量丰富、成本低等优势，但其在脱嵌锂过程中体积膨胀收缩比较严重，约高达400％，由此引发材料粉化、SEI膜不稳定、容量衰减严重等一系列问题。硅的氧化物在首次放电过程中，会生成电化学惰性成分(Li₂O、Li_xSi_yO)，这些成分能缓冲硅的体积膨胀，因此能帮助材料获得比单质硅更稳定的循环寿命，而且硅的氧化物比纳米硅拥有更高的振实密度，因此在工业应用方面有很大的潜力，但是目前专利文献中还没有关于2D层状结构的硅氧化物的报道。

因此，如何提供一种2D层状SiOx材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状SiOx材料的制备方法，将CaSi₂缓慢刻蚀溶解掉Ca层，得到层状硅氧烯材料，然后在惰性气氛下煅烧即可得到层状SiOx材料。本发明制备得到的层状SiOx材料可以用作锂离子电池的负极材料，并且能够表现出优异的电化学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种层状SiOx材料，所述SiOx材料是呈手风琴形状的层状微米级颗粒，所述SiOx材料的粒径尺寸为0.5～20μm，任意相邻层间均存在纳米级宽度的狭缝空隙，所述狭缝空隙的宽度为1～50nm，单个片层厚度为30～40nm。

优选的，在上述一种层状SiOx材料中，所述SiOx材料中x的取值范围是0x2。

上述的层状SiOx材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)配制溶液：将物质A和物质B分别溶于去离子水中，得到溶液A和溶液B。

(2)制备层状硅氧烯材料：将溶液A和CaSi₂依次加入反应容器中，搅拌至混合均匀后，加入溶液B，搅拌反应1～4d，超声振荡0.5～5h，去离子水洗涤3～10次，干燥，得到层状硅氧烯材料；

(3)制备层状SiOx材料：将层状硅氧烯材料在惰性气氛下烧结0.5-5h，得到层状SiOx材料。

本发明以CaSi₂为前驱体，其具有Ca层和Si层交替分布的结构，是制备层状硅材料的良好原料。