[发明专利]阴离子调控硅基微聚集体负极材料及其制备方法、用途

说明书

本发明涉及钠离子电池，具体涉及一种阴离子调控硅基微聚集体负极材料及其制备方法、用途。该负极材料的制备包括以下步骤：一、制备纳米级SiO₂@RF球；二、形成SiO₂@RF/PDA‑PPY微聚集体；三、Si@HC/NC微聚集体形成；四、获得目标产物X‑Si@HC/NC微聚集体。本发明制备的S‑Si@HC/NC微聚集球电性能明显优于Si@HC，在0.5A/g电流密度下，经过200次长循环，S‑Si@HC/NC储钠量依然可以保持491mAh/g；同时，S‑Si@HC/NC表现出了优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池，具体涉及一种阴离子调控硅基微聚集体负极材料及其制备方法、用途。

背景技术

钠离子电池(Sodium-ion battery)是一种二次电池(充电电池)，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子半径比锂离子半径更大所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。

与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：(1)钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；(2)由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20％左右)降低成本；(3)钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8％左右，降低重量10％左右；(4)由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

尽管钠离子电池具有价格低廉、环境友好等适合大规模应用的优势，但目前钠离子电池的研究发展受到正负极材料、粘结剂、隔膜、电解液以及电池组装技术等因素制约。其中，钠离子电池负极材料的储钠量低、充放电过程中体积效应大以及负极材料自身的导电性差又是制约钠离子电池发展的核心问题。在不同类型的负极材料中，合金型的硅具有理论比容量高、工作电压低、自然界储量丰富和价格低廉等适合大规模应用的优势。硅能与钠反应形成NaSi，理论储钠量高达960mAh/g，高于多数合金材料的储钠量。同时，硅作为锂离子电池负极材料已经在科研和产业化应用方面取得了巨大成功，这就为硅作为钠离子电池负极材料提供很好的研究应用基础。但由于硅晶格带隙和原子间隙较小，影响了钠离子/电子在硅晶格内部的扩散，从而影响了硅负极材料的储钠特性。

发明内容

本发明的目的是有效改善材料晶格的带隙和原子间距，增强钠离子/电子在材料晶格内部的扩散，构建新型硅碳复合材料以改善硅负极材料的储钠特性，解决硅的钠离子扩散缓慢问题，从而提升钠离子/电子在材料晶格内部的传输性能。基于此，本发明提出一种阴离子调控硅基微聚集体钠离子电池负极材料的制备方法。

本发明提供的阴离子调控硅基微聚集体钠离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

向正硅酸乙酯中加入间苯二酚和甲醛，得到SiO₂@RF悬浮液；

将所述SiO₂@RF悬浮液调pH至碱性，加入盐酸多巴胺和吡咯，形成SiO₂@RF/PDA-PPY微聚集体；

利用镁热反应还原所述SiO₂@RF/PDA-PPY微聚集体中二氧化硅，并炭化其中的间苯二酚-甲醛及多巴胺改性聚吡咯，得到Si@HC/NC微聚集体；

将含S、Se或P阴离子的原料与所述Si@HC/NC微聚集体混合，在惰性环境下进行煅烧，获得目标产物S-Si@HC/NC微聚集体。

优选地，所述正硅酸乙酯、所述间二苯酚与所述甲醛的用量比为2～5ml∶0.1～0.6g∶0.3～0.7ml。

优选地，所述SiO₂@RF悬浮液调pH至碱性是调pH至9.0～11.5；