[发明专利]一种改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料及其制备方法,将硅烷偶联剂预水解,预水解后的硅烷偶联剂、氧化亚硅和表面活性剂在溶剂中超声分散得到分散液,分散液于反应釜中惰性气氛下加热搅拌，得到改性氧化亚硅溶液，所述的改性氧化亚硅溶液与碳纳米管混合后超声分散，抽滤、洗涤、烘干，加入碳源中进行混料包覆，烧结后粉碎得到改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料。本发明将氧化亚硅颗粒进行表面改性，在氧化亚硅负极材料中添加适量的碳纳米管，在改性氧化亚硅表面包覆一层碳源，有效提高了负极材料的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，更具体地，本发明涉及一种改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料及其制备方法。

背景技术

纯硅的理论比容量高达4200mAh.g^-1，石墨的理论比容量为372mAh.g-1，两者相差10倍以上。并且硅的锂合金化电压适中，在充电时表面不容易发生析锂反应，安全性能更好，因此硅基材料成为锂离子电池负极材料未来的研究方向之一。

但是，在硅基负极材料的锂合金化/去合金化过程中Li⁺不断地嵌入/脱出，体积发生巨大变化，膨胀率高达300％以上。导致硅材料的晶格结构遭到严重的破坏，最终电极活性物质与集流体脱落，电池循环性能大大降低。

氧化亚硅的理论比容量为2043mAh.g^-1，虽然它的容量只有单质硅的一半，但是在充放电过程中其体积膨胀也只有单质硅的一半，表现出良好的循环性能。

氧化亚硅表面富含羟基，使其具有亲水的极性表面，其表面积大，表面能高，彼此之间极易团聚，在有机介质中难以均匀分散，且不易与有机物枝接，难以提升复合材料的性能。目前，对氧化亚硅表面接枝有机物后没有明显地提升电极材料的循环性能及导电性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高性能的锂离子电池的改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料及其制备方法。利用氧化亚硅表面存在含氧基团的特征，采用特殊结构硅烷偶联剂与硅基材料颗粒表面发生化学反应，且让硅烷偶联剂自身发生聚合反应，形成一层与氧化亚硅材料本体结合紧密、坚实的网状结构保护层，同时使得网状结构保护层外含有大量亲油官能团。上述改性后的硅基材料与碳纳米管造粒复合形成特殊的三维结构。该结构中网状结构保护层可有效抑制氧化亚硅破裂引起的体积膨胀，导电层不易脱落，并且碳纳米管可提高材料的导电性，改善材料循环性能。

为达到上述技术效果，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：

一种改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将硅烷偶联剂预水解；

步骤二、将预水解后的硅烷偶联剂、氧化亚硅和表面活性剂在溶剂中超声分散，得到分散液；

步骤三、将分散液于反应釜中惰性气氛下加热搅拌，得到改性氧化亚硅溶液；

步骤四、将所述的改性氧化亚硅溶液与碳纳米管混合后超声分散，抽滤、洗涤、烘干；

步骤五、将步骤四得到的物质加入碳源中进行混料包覆；

步骤六、将步骤五得到的物质烧结后粉碎得到改性氧化亚硅/碳纳米管复合负极材料。

步骤一的操作方法是：将硅烷偶联剂KH-560或KH-570加到去离子水中，调节pH至5.6～6.9，静置0.5～1h。使用氢氧化钠或者醋酸调节pH值至弱酸性以对硅烷偶联剂进行水解。KH-560或KH-570硅烷偶联剂为含硅烷氧基官能团的有机物，该硅烷偶联剂含有较长的亲油基团，碳链长度≥8，含环状基团。

所述氧化亚硅、硅烷偶联剂和表面活性剂的质量比为(100～200)：(5～20)：1。优选的，氧化亚硅硅烷偶联剂和表面活性剂的质量比为100:10:1。