[发明专利]一种基于压电效应制备高性能锂离子硅基负极材料的方法及其应用

说明书

本发明提供了一种基于压电效应制备高性能锂离子硅基负极材料的方法及其应用。该方法包括：向葡萄糖中加入水、硅酸四乙酯、乙醇，加入稀盐酸和氨水溶液，搅拌形成凝胶；将凝胶研磨，进行碳还原，得到SiO_X‑C；将Pb(CH₃COOH)₂·3H₂O、ZrOCl₂·8H₂O、TiO₂与水混合搅拌均匀，超声，得前驱体溶液；将KOH溶液添加到前驱体溶液中，搅拌均匀并超声，160℃‑200℃水热4‑6h，冷却至室温，以水和无水乙醇离心并干燥，研磨得到PbZr_0.52Ti_0.48O₃；将SiO_X‑C和PbZr_0.52Ti_0.48O₃混合，球磨12h，得到SiO_X‑C/PZT；将SiO_X‑C/PZT、导电剂和粘结剂分散在水中，均匀涂覆在铜箔上，干燥后制成电极片。含有由上述制备方法制备得到的硅基负极材料的锂离子电池，具有优异的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种硅基负极材料，尤其涉及一种高性能锂离子硅基负极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

石墨是目前应用最为广泛的商业锂离子电池负极材料，但其理论比容量仅为372mAh g^-1，且充放电电位较低(0.01-0.25V vs.Li/Li⁺)，在嵌锂过程中容易形成锂枝晶。与之相比，硅负极材料具有超高理论比容量(4200mA h g^-1)，硅在地壳元素中储量丰富，具有成本低、环境友好等特点，因此硅被认为是极具潜力的下一代锂离子电池负极材料。

但是硅基材料也有缺陷：(1)硅基材料属于半导体，其导电性不好；(2)硅基材料在脱嵌锂的过程中体积膨胀很大，高达300％，在多次嵌锂/脱锂后，导致材料粉化，并与导电剂和集流体失去电接触，最终导致可逆容量急速衰减。SiO_X材料与硅材料相似，具有可逆的储锂能力，一般为无定形的硅氧二元化合物，它的含氧数量x通常在0到2之间，即0＜x≤2。随着氧含量的增加，SiO_X比容量有所降低，但是循环稳定性提升。氧的引入使得SiO_X在首次嵌锂时发生了一些不可逆的反应，反应生成了惰性组分(一系列锂硅酸盐和Li₂O)，可以作为缓冲物质缓解活性材料在脱嵌锂过程中的体积膨胀效应，另外，SiO_X是无定形的，有利于缓解锂离子脱出/嵌入过程的应力不均匀时产生的材料开裂、粉化等问题，使得循环性能有所改善，但体积膨胀问题始终无法避免，距商业使用有较大的差距。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有优异性能的锂离子硅基负极材料的制备方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于压电效应制备高性能硅基负极材料的方法，该方法包括以下步骤：

向葡萄糖中加入水、硅酸四乙酯、乙醇，70-90℃冷凝回流，并加入稀盐酸和氨水溶液，搅拌形成凝胶；

将凝胶研磨，进行碳还原，得到SiO_X-C；

将Pb(CH₃COOH)₂·3H₂O、ZrOCl₂·8H₂O、TiO₂与水混合搅拌均匀，并超声1-3h，获得均匀的前驱体溶液；

将KOH溶液添加到前驱体溶液中，搅拌均匀并超声1-3h，160℃-200℃水热4-6h，冷却至室温，以水和无水乙醇离心并干燥，研磨得到PbZr0_.52Ti_0.48O₃；