[发明专利]一种硅-碳-镓复合物电极材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种硅‑碳‑镓复合物电极材料、其制备方法及应用，该电极材料包括多孔硅颗粒以及包覆于多孔硅颗粒表面的无定形碳层，多孔硅颗粒上分布有6‑15nm孔径的孔隙；镓均匀分布于多孔硅颗粒的表面和孔隙。该制备方法为：首先对二氧化硅气凝胶进行预处理后与镁粉混合，进行镁热还原反应，得到多孔硅；然后将多孔硅分散于盐酸多巴胺溶液中，真空干燥后，得到硅‑多巴胺复合材料，再置于镓的异丙醇浊液中，干燥后，在惰性气氛下进行碳化处理，得到硅‑碳‑镓复合材料。本发明的硅‑碳‑镓复合物电极材料作为锂离子电池负极材料能量密度高，可逆容量高、循环稳定性好、循环倍率性能优异，可规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种复合电极材料、其制备方法及应用，尤其涉及一种硅-碳-镓复合物电极材料、其制备方法及应用。

背景技术

目前锂离子电池中商用的负极材料以石墨碳素类的碳材料为主，因其导电性高、循环稳定性强而得到广泛应用。然而石墨碳素类材料最大理论比容量只有372mAh/g，渐渐满足不了需求。硅被认为是最有希望的电极材料，其理论容量高达4200mAh/g(与Li可逆反应形成各种Si-Li合金，并最终形成Li_4.4Si合金)，并且其在地球上资源丰富。另外，硅电极的锂化平台电压比石墨电极高，能有效避免枝晶的形成，提升了电池安全性。但是，硅导电性不高，同时在充放电循环过程中，其体积会发生剧烈膨胀(300％)，导致硅材料结构的崩塌和电极的剥落粉化、电导率的下降，进而导致电池容量锐减。

人们近年主要通过构筑硅的特殊形貌(纳米球、纳米线等)、金属掺杂、碳包覆等方法对硅的体积膨胀进行抑制。然而这些硅材料的循环稳定性以及导电性能仍有待进一步提高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可逆容量高、循环稳定性好、倍率性能佳的硅-碳-镓复合物电极材料；

本发明的第二个目的是提供该复合物电极材料的制备方法；

本发明的第三个目的是提供该复合物电极材料在锂离子电池负极中的应用。

技术方案：本发明的硅-碳-镓复合物电极材料，包括多孔硅颗粒以及包覆于多孔硅颗粒表面的无定形碳层，所述多孔硅颗粒上分布有6-15nm孔径的孔隙；镓均匀分布于多孔硅颗粒的表面和孔隙。

上述的硅-碳-镓复合物电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对二氧化硅气凝胶进行预处理后与镁粉混合压片，进行镁热还原反应，得到多孔硅；

(2)将多孔硅分散于盐酸多巴胺溶液中，真空干燥后，得到硅-多巴胺复合材料；

(3)将硅-多巴胺复合材料置于镓的异丙醇浊液中，干燥后得到硅-多巴胺-镓复合材料，然后在惰性气氛下进行碳化处理，得到硅-碳-镓复合材料。

其中，步骤(1)中，所述预处理的过程为：将二氧化硅气凝胶进行高温热处理；所述热处理的温度为400～600℃，时间为3～5小时。得到预处理后的二氧化硅。

其中，步骤(1)中，所述压片的压力为15Mpa，时间为10～15min；镁热还原反应在惰性气氛下的热处理参数：温度为600～800℃，时间为4～5h。之后用盐酸洗除去副产物，用稀氢氟酸除去未反应的二氧化硅，将得到的样品抽滤后经过真空干燥得到多孔硅；所述盐酸的浓度为1M；稀氢氟酸的浓度为10％。

其中，步骤(2)中，所述盐酸多巴胺溶液的浓度为1-3g/L；多孔硅与盐酸多巴胺的质量比为1：1。所述盐酸多巴胺溶液配制方法为：将0.1～0.2g盐酸多巴胺加入50-100mL的三羟甲基氨基甲烷溶液中，优选调节溶液的pH为8.5。

真空干燥后得到硅包覆的多巴胺样品。