[发明专利]一种碳包覆的管状纳米硅材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种碳包覆的管状纳米硅材料及其制备方法和应用。该方法通过碳包覆的管状二氧化硅、镁粉、吸热剂经过镁热还原反应，得到碳包覆的管状纳米硅材料的初始产物，将初始产物在无机酸中浸泡，得到碳包覆的管状纳米硅。本发明的制备工艺简便，设备要求不高，能耗低，拓展了纳米硅材料的制备工艺，有益于工业化生产。该碳包覆的管状纳米硅具有优异的高可逆容量、循环稳定性能和倍率性能，可作为负极材料应用在锂电池中。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，更具体地，涉及一种碳包覆的管状纳米硅材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池被公认为一种最有效、可靠和实用的电化学能源设备，用于存储和转换电能，特别是从清洁和可持续的能源，如太阳能、风能、瀑布和地热产生的电能。然而，当锂离子电池作为手机和电动汽车的电源时，其能量密度似乎不足以满足长充电里程的要求。为了提高锂离子电池的能量密度，开发高容量的锂离子电池负极材料已成为近年来最有效的途径。近年来，硅材料具有较高的理论比容量(4200mAh/g)、较低的放电电位(＜0.5VvsLi/Li⁺)、储量丰富等优点成为了研究热点之一，被认为是最具有潜力替代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。然而，硅材料作为锂离子电池负极材料有着不可避免的缺点，即在充放电过程中，硅负极材料会产生极为明显的体积膨胀、首次充放电效率低以及SEI膜反复生长导致电解液消耗严重等问题，其中关键问题在于体积膨胀，当发生体积膨胀时，易导致电极活性材料粉化脱落。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种碳包覆的管状纳米硅材料的制备方法。该方法从材料本身结构出发，管状硅有着较大缓冲空间，同时在硅的外层包覆上一层的碳层，可以很好的改善电极的导电性、电子离子传输效率等问题。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备的碳包覆的管状纳米硅材料。

本发明的再一目的在于提供上述碳包覆的管状纳米硅材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种碳包覆的管状纳米硅材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将氯化物氯化镍或氯化锌、硅源和碱溶于水中，在150～300℃水热反应，得到管状二氧化硅；

S2.将管状二氧化硅加入含有碳源的tris混合溶液中搅拌8～10h，离心收集得到前驱体；前驱体在惰性气氛下，在800～1000℃烧结，得到碳包覆的管状二氧化硅，所述管径为30～40nm；

S3.将碳包覆的管状二氧化硅、镁粉和吸热剂混合后，在350～650℃进行还原反应10～12h，得到初始产物；

S4.将初始产物在无机酸中浸泡，经洗涤干燥后，得到碳包覆的管状纳米硅材料。

优选地，步骤S1和S2中所述氯化物的质量、碱的质量、水的体积、硅源的质量、碳源的质量和tris混合溶液的体积比为(500～800)mg:(6～8)g:(50～80)mL:(300～350)mg:(70～80)mg:(100～150)mL。

更为优选地，步骤S1中采用氯化镍和氢氧化钠，更有利于减少杂质元素的存在，提高产物纯度。

优选地，步骤S1中所述硅源为正硅酸乙酯、四氯化硅或硅酸钠。

优选地，步骤S2中所述碳源为葡萄糖、蔗糖、淀粉或多巴胺中的一种以上。

优选地，步骤S2中所述惰性气氛为氩气或氮气。

优选地，步骤S3中所述的碳包覆的管状二氧化硅、镁粉和吸热剂的质量比为(0.7～1.2)：(1～1.2)：(7～10)。

优选地，步骤S3中所述吸热剂为氯化锌、氯化钠或氯化钾。