[发明专利]一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料及其制备方法和应用。将过渡金属类催化剂通过共沉淀法沉积在多孔二氧化硅颗粒上，得到过渡金属类催化剂‑多孔二氧化硅颗粒复合物；将氧化亚硅材料与有机碳源混合后进行热解处理，得到碳包覆氧化亚硅复合物；过渡金属类催化剂‑多孔二氧化硅颗粒复合物与碳包覆氧化亚硅复合物通过球磨混合，得到复合颗粒，在所述复合颗粒表面原位生成碳纳米管，即得碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料。该复合材料中碳纳米管均匀、稳定包覆于Si@C材料表面，极大地提高了碳硅复合材料的导电性，有效地提高了锂离子电池的首次库伦效率、功率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及一种碳硅复合材料，特别涉及一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料，还涉及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用，属于锂电池技术领域。

背景技术

随着便携式电子设备、无人机、电动工具和电动车的迅速发展，高能量密度、高功率密度、高安全性和长寿命的可充电电池备受关注。尽管基于传统的石墨负极材料锂离子电池取得了广泛应用，但由于石墨固有的低能量密度、低功率密度限制了期进一步的发展。近年来，硅基材料由于其高能量密度、高功率密度而取得了蓬勃的发展，是下一代负极材料的首选。但由于硅基材料存在膨胀大、导电性差的缺陷，限制了期发展速度，为解决其导电性能差的问题。通常是在其表面包覆导电碳材料，在制作电池时加入碳纳米管。虽然这方法也能提高硅基材料的导电性能，但也存在一定的问题。比如碳包覆不均匀，包覆缺陷较多、碳纳米管分散较困难，成本增加等。

针对这些问题，近年来壳核结构的双层包覆、碳纳米管复合、碳纳米管包覆成为研究热点。中国专利(公开号CN 109244432 A)公开了一种硅-碳纳米管复合材料的制备方法及其产品和应用。其采用铁作为催化剂，乙炔气为碳源，高温下在纳米硅材料表面原位生长碳纳米管，碳纳米管在纳米硅粉颗粒表面发散生长，紧紧包在纳米硅粉颗粒表面而形成硅-碳复合材料。在该专利中，硅粉采用的是纳米硅粉，纳米硅粉不仅容易团聚成球，使得铁的催化剂很难有效附着于纳米硅粉上，且成本非常高；同时由于催化剂只是附着于表面，没有骨架束缚，碳纳米管的管径很难控制，两者的界面结合较为困难。中国专利公开号(CN107658455A)公开了一种导电聚合物-碳包覆氧化亚硅复合材料，其通过将氧化亚硅先进行包碳处理，然后在包碳的表面原位生长导电聚合物以达到提高氧化亚硅导电性的目的。此项发明在于导电聚合物属于高分子有机物导电性远远不如碳材料，且导电聚合物属于有机物，与碳材料界面结合会比较差，为了改善其界面，需要在碳包覆表面进行复杂的表面改性，增加了工艺难度和生产成本。

发明内容

针对锂电池硅基负极材料中包覆碳缺陷较多，与碳纳米管复合不均匀，导致复合材料在使用过程中循环性能差、库伦效率低的缺陷。本发明的第一个目的是在于提供一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料，该复合材料在SiO@C表面原位生长碳纳米管，结合稳定性好，且碳纳米管均匀性好，形成了均匀的导电网络，大大提高了复合材料的导电性。

本发明的第二个目的是在于提供一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料的制备方法，该方法操作简单、成本低、生产易控制，有利于大规模生产。

本发明的第三个目的是在于提供一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，将其应用在锂离子电池中可以有效提高锂离子电池的首次库伦效率和循环性能。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳纳米管导电网络包覆SiO@C复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)将过渡金属类催化剂通过共沉淀法沉积在多孔二氧化硅颗粒上，得到过渡金属类催化剂-多孔二氧化硅颗粒复合物；

2)将氧化亚硅材料与有机碳源混合后进行热解处理，得到碳包覆氧化亚硅复合物；

3)过渡金属类催化剂-多孔二氧化硅颗粒复合物与碳包覆氧化亚硅复合物球磨混合，得到复合颗粒，在所述复合颗粒表面原位生成碳纳米管，即得。