[发明专利]一种基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料的制备方法及应用

说明书

一种基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料的制备方法及应用，它涉及一种硅基复合材料的制备方法及应用。本发明的目的是要解决现有锂离子电池负极材料的电导率、容量和稳定性差的问题。方法：一、制备硅/碳纳米球；二、将高分子聚合物和硅/碳纳米球均匀分散到分散溶剂中，静电纺丝，得到前驱体膜；三、煅烧，得到基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料。本发明制备的基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料作为锂离子电池负极材料，电极容量大大提升并且循环稳定性好，有很广泛的应用前景。本发明可获得一种基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种硅基复合材料的制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池因其大能量密度，长寿命和环境友好等优良特点被广泛应用在便携式设备，车辆等各种新能源产业。目前，商业化锂离子电池主要负极材料是石墨负极，其理论容量低(372mAh/g)和高倍率性能差限制了锂离子电池的进一步应用。而硅材料由于比容量高(Li₁₅Si₄，3579mAh/g)，自然含量丰富和相对低的工作电压(0.4V vs Li/Li⁺)从而被认为是最有潜力替代石墨的下一代负极材料。但是，硅自身导电率较差，在锂离子反复脱嵌过程中体积效应巨大(＞300％)，最终使材料破裂甚至粉碎，导致容量快速衰减，限制了硅材料大规模应用。目前常用碳包覆来提高材料性能，但在电导率，容量，稳定性的提升方面仍有不足，限制了其实际应用。

发明内容

本发明的目的是要解决现有锂离子电池负极材料的电导率、容量和稳定性差的问题，而提供一种基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料的制备方法及应用。

一种基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、制备硅/碳纳米球：

将以二氧化硅为核，二氧化硅掺杂碳为壳的核壳结构纳米球和镁粉研磨均匀，再转移到管式炉中，再在氩气保护气氛下升温至500℃～660℃，再在氩气气氛和温度为500℃～660℃的条件下保温，冷却至室温，得到反应产物；对反应产物进行清洗，再干燥，硅纳米点均匀分布在空心碳球内部和骨架上，得到硅/碳纳米球；

步骤一中所述的核壳结构纳米球和镁粉的质量比为1:(0.6～1)；

二、将高分子聚合物和硅/碳纳米球均匀分散到分散溶剂中，得到混合溶液；对混合溶液进行静电纺丝，得到前驱体膜；

步骤二中所述的高分子聚合物与硅/碳纳米球的质量比为(30～90):(10～70)；

三、首先将前驱体膜放入管式炉中，在空气气氛下将管式炉升温至200℃～300℃，在空气气氛和温度为200℃～300℃的条件下保温，然后向管式炉中通入氩气，在氩气气氛保护下将管式炉升温至600℃～700℃，再在温度为600℃～700℃下保温2h～4h，冷却至室温，得到基于硅/碳微纳米球不同维度的硅基复合材料。

本发明的原理：

一、为了解决现有锂离子电池负极材料存在的问题，本申请采用以下技术手段：第一：将纳米硅与碳骨架进行复合，由于碳材料具有良好的柔韧性和导电性，既能提升整体电极材料导电性，又能缓冲体积膨胀带来的危害，同时纳米硅还能缩短锂离子传输路径。第二：掺杂杂原子能形成半导体增强电荷转移。不仅通过增强赝电容提高电池容量，还提供额外的活性位点，进一步提高了电极材料的电导率。第三：将纳米材料自组装成团聚体可以避免单一纳米粒子的团聚，减小比表面积，避免与电解液发生副反应，从而获得较高的库仑效率。

本发明的优点：

一、本发明利用简单可控的静电纺丝技术，整合碳复合，杂原子掺杂来制备一系列杂原子掺杂的从一维纤维到三维硅/碳微球结构的不同维度的表观形态来提升硅基复合材料的电化学性能，循环稳定性以及库伦效率，不同的表观形态有着不同的优势，同时制备的膜电极具有优良的灵活性，可弯曲性；