[发明专利]多孔硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电极材料技术领域，特别涉及一种多孔硅碳负极材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将硅材料分散于溶剂中，加入氧化石墨烯分散液和过渡金属离子溶液，滴加聚丙烯酰胺和次磷酸钠溶液，生成硅材料沉淀物质，硅材料的表面包含过渡金属M和氧化石墨烯，取用硅材料沉淀物质；在保护气氛下，高温加热，氧化石墨烯还原成石墨烯，硅材料的表面形成预制层，冷却，得到包覆预制层的硅材料；酸洗包覆预制层的硅材料，去除预制层中的过渡金属M，形成具有多孔结构的石墨硅材料；将具有多孔结构的石墨硅材料加入碳前驱体中，进行碳包覆处理，形成多孔硅碳负极材料粗产品；将多孔硅碳负极材料粗产品进行碳化处理，获得多孔多孔硅碳负极材料。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，特别是涉及多孔硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、储能、空间技术、生物医学工程、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近十年以及未来很长一段时间广为关注的研究和新能源产业发展热点。

目前实际应用较多的锂离子电池负极材料是碳材料，如天然石墨、石墨化中间相碳微球等。在非碳负极材料中，硅具有极高的理论比容量，较低的储锂反应电压平台，并且硅在自然界中的分布很广，在地壳中的含量仅次于氧，因此硅基负极材料是一类极具发展前景的新型高能材料。然而，硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；普通纯硅的循环稳定性较差。而且硅在锂化过程中的相变和体积膨胀会产生较大的应力，致使电极断裂粉化、电阻增大、循环性能骤降。如何获得比容量高、循环稳定性佳、体积膨胀小的负电极材料是目前本领域亟需解决的问题。

发明内容

基于此，本发明提供一种多孔硅碳负极材料的制备方法，其制成的多孔硅碳负极材料具有循环稳定性佳，导电性好，比容量高的特点。

一种多孔硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将硅材料分散于溶剂中，混合均匀，然后加入氧化石墨烯分散液和过渡金属离子溶液，充分混匀，同时滴加聚丙烯酰胺和次磷酸钠溶液，过渡金属离子还原为过渡金属M，附着于硅材料的表面，氧化石墨烯分散液聚沉，附着于硅材料的表面，生成硅材料沉淀物质，硅材料的表面包含过渡金属M和氧化石墨烯，取用硅材料沉淀物质，干燥；

在保护气氛下，将沉淀物质高温加热，氧化石墨烯还原成石墨烯，硅材料的表面形成预制层，预制层包含过渡金属M和石墨烯，冷却，得到包覆预制层的硅材料；

酸洗包覆预制层的硅材料，去除预制层中的过渡金属M，形成具有多孔结构的石墨硅材料；

将具有多孔结构的石墨硅材料加入碳前驱体中，进行碳包覆处理，形成多孔硅碳负极材料粗产品；

将多孔硅碳负极材料粗产品进行碳化处理，获得多孔多孔硅碳负极材料。

上述多孔硅碳负极材料的制备方法，采用石墨烯和过渡金属配合在硅材料的表面形成多孔结构，在不破坏硅材料结构的基础上，增加了硅材料的比表面积，缓解充放电过程中的体积效应，减少电活性物质粉化脱落的问题，从而提高锂离子电池的循环稳定性，并提高了多孔硅碳负极材料的比容量；硅材料未被破坏，在硅材料的表面包覆碳质层，可有效缓解硅材料的体积膨胀问题；本发明多孔硅碳负极材料循环稳定性佳，导电性好，比容量高，具有很好的应用前景。

在其中一个实施例中，过渡金属离子为Ni⁺²、Co⁺²、Zn⁺²和Cu⁺²中的一种或几种。

在其中一个实施例中，氧化石墨烯分散液加入硅材料后占总溶液的质量百分含量为5％～10％，聚丙烯酰胺的质量浓度为1％～5％。

在其中一个实施例中，次磷酸钠溶液的摩尔浓度为0.01～0.03mol/L，过渡金属离子溶液中过渡金属离子的浓度为0.01～0.1mol/L。