[发明专利]一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料及其制备方法、应用

说明书

本发明公开一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料及其制备方法、应用，该负极材料包括纳米硅颗粒和碳纳米片，碳纳米片组装成三维蜂窝碳多孔网络，纳米硅颗粒均匀分布在所述三维蜂窝碳多孔网络中，纳米硅颗粒表面包覆碳层。该纳米硅颗粒表面具有均匀包覆的碳层以及碳纳米片构成的三维蜂窝碳多孔导电网络，能够有效提高硅的电子导电性，抑制硅负极体积膨胀效应造成的结构破坏和SEI膜的破坏，用作锂离子电池负极材料时，可有效改善电化学活性和循环稳定性。该制备方法简单方便，效果好，在锂离子电池上具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其是一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料及其制备方法、应用。

背景技术

硅作为锂离子电池负极材料具有最高的理论比容量4200 mAh/g，且具有较低的嵌锂电位（＜0 .5V vs Li）、储量丰富，因此被认为是下一代锂离子电池最为理想的负极材料。

但是，硅本身电子导电率极低，电化学活性较差。而且硅负极嵌锂后体积膨胀可达300％，巨大的体积膨胀效应会产生较大的应力，导致硅负极材料粉化，活性材料之间接触变差，从集流体上脱离，引起容量迅速衰减。此外，硅负极体积膨胀效应还导致其表面难以形成稳定的固体电解质界面(SEI膜)，严重影响其比容量、稳定性和库伦效率等。

发明内容

本发明提供一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料及其制备方法、应用，用于克服现有技术中的缺陷，提供的纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料用作锂离子电池负极材料时，可有效改善电化学活性和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明提出一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料包括纳米硅颗粒和碳纳米片；所述碳纳米片组装成三维蜂窝碳多孔网络，所述纳米硅颗粒均匀分布在所述三维蜂窝碳多孔网络中；所述纳米硅颗粒表面包覆碳层。

为实现上述目的，本发明还提出一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将纳米硅粉加入到含表面活性剂的混合溶液中，搅拌，超声分散均匀，然后依次加入间苯二酚和甲醛，在设定温度下搅拌反应，再加入正硅酸乙酯继续搅拌反应，过滤、洗涤、干燥，得到前驱体粉末；

S2：将所述前驱体粉末与有机酸钠或者有机酸钾球磨混合均匀，置于惰性气氛中热处理，得到烧结粉末；

S3：将所述烧结粉末置于水溶液中洗涤，过滤、干燥，得到纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料。

为实现上述目的，本发明还提出一种纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料的应用，利用纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料作为锂离子电池负极；所述纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料为上述所述纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料或上述所述制备方法制备得到的纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料；所述纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料中硅的质量分数为10~80wt%。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的纳米硅镶嵌三维蜂窝碳复合负极材料包括纳米硅颗粒和碳纳米片；所述碳纳米片组装成三维蜂窝碳多孔网络，所述纳米硅颗粒均匀分布在所述三维蜂窝碳多孔网络中；所述纳米硅颗粒表面包覆碳层。该纳米硅颗粒表面具有均匀包覆的碳层以及碳纳米片构成的三维蜂窝碳多孔导电网络，能够有效提高硅的电子导电性，抑制硅负极体积膨胀效应造成的结构破坏和SEI膜的破坏，用作锂离子电池负极材料时，可有效改善电化学活性和循环稳定性。