[发明专利]一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用，其制备方法为：在硅分散液中制备ZIF‑8，使得ZIF‑8包覆硅获得Si@ZIF‑8，将Si@ZIF‑8与MXene在溶液中进行复合获得Si@ZIF‑8/MXene，将Si@ZIF‑8/MXene进行碳化获得硅@碳/MXene，即为碳硅负极材料；所述硅的分散液中含有聚乙烯吡咯烷酮。本发明能够将碳包覆硅材料，并将碳包覆硅的材料与MXene复合，从而使得制备的碳硅负极材料具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，涉及一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂离子电池由于其优异的稳定性和能量密度，成为了最常见的电化学储能设备，但是，近些年来锂离子电池的能量密度不能够满足我们的需求，这主要是由于商用石墨负极的理论比容量较低(372mAh/g)。因此寻找一种具有高比容量的负极材料是提高锂离子电池能量密度的有效途径。与传统的插层嵌锂机制相比，合金化嵌锂机制往往具有更高的理论容量。而硅材料是最有前途的具有合金化嵌锂机制的负极材料。这不仅仅是由于硅在地球中的储量丰富，成本较低。而且硅作为负极材料，理论比容量高达4200mAh/g。因此硅被认为是下一代可商用负极材料。

然而，发明人研究发现，硅负极材料的商业化，和大多数合金化负极材料相同，脱嵌锂过程中的体积变化是其的最大阻碍。此外，硅的电导率较低，限制了硅负极的倍率性能。在负极材料的实际应用中，硅通常需要与机械性能较高的材料或电导率较高的材料复合来抑制体积膨胀和提高硅负极的电导率。

碳材料不仅具有较高的机械强度还具有良好的电导率，因此碳材料的包覆能够抑制硅的体积膨胀同时增加复合材料导电率。过渡金属碳化物或氮化物，即MXene，是一种新型的二维材料。MXene具有高导电率，可以进一步改善硅负极的电导率。中国专利公布号CN111384381A公开了一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法。但是，普通的包覆碳不具备良好的孔道结构，在抑制Si的体积膨胀的同时，却减慢了锂离子的传输。

而金属有机框架衍生碳材料不仅仅拥有碳材料的优点，还继承了金属有机框架材料的良好的孔道结构。这种多孔结构可以作为锂离子传输通道，加快锂离子传输。发明人研究认为，硅@碳/MXene材料，其中碳为金属有机框架衍生碳材料，是一种非常有前途的硅基复合负极材料。然而，如何进行金属有机框架材料的包覆是一个特别难以解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用，能够将金属有机框架材料包覆硅材料，并将这种材料与MXene复合并进行碳化，金属有机框架衍生碳材料具有丰富的孔道结构，不仅可以抑制硅的体积膨胀也可以加速锂离子的传输，而MXene则可以提高硅负极的电导率，从而使得制备的碳硅负极材料具有良好的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种碳硅负极材料的制备方法，在硅分散液中制备ZIF-8，使得ZIF-8包覆硅获得Si@ZIF-8，将Si@ZIF-8与MXene在溶液中进行复合获得Si@ZIF-8/MXene，将Si@ZIF-8/MXene进行碳化获得硅@碳/MXene，即为碳硅负极材料；所述硅的分散液中含有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。