一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，具备包括：S1.制备硅基悬浮液；S2.将碳材料加入所述硅基悬浮液中，制备得到前驱液；S3.将所述前驱液通过静电喷雾沉积法在衬底上进行沉积，得到三维多孔硅基碳复合薄膜材料。本发明专利技术的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，通过制备硅基、碳材料的前驱液，并采用静电喷雾沉积方法在衬底上沉积制得硅基碳复合薄膜材料，方法简单，易于操作；有效地改善了硅基材料在充电时体积膨胀的现象，而且增加了电极与电解液之间的接触面积，同时改善了材料的比容量。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法
本专利技术涉及锂电池负极材料领域，尤其涉及一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池因其具有工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性好、使用寿命长、重量轻、体积小等突出优点而成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的理想电源。为了满足使用要求，高容量、长寿命锂离子电池成为锂离子电池发展的一个重要研究方向。由于正极材料的比容量相对较低，容量的提升空间不大，故高容量锂离子电池的研制工作主要集中在负极材料。现有商业上使用的负极材料为碳材料，其理论比容量仅有372mAh/g，因此寻找替代碳的高容量负极材料成为一个重要的研究方向。目前商用锂离子电池的负极材料主要为石墨，由于其理论比能量低(372mAh/g)，而且高倍率充放电性能差。近年来，电动汽车技术的高速发展，新能源汽车越来越受到全球的重视。锂离子电池占有大部分市场，但商业化的锂离子电池能量密度已经满足不了客户对续航里程的要求，因此，需要探索其他高能量密度的材料。其中，硅材料放电比容量达到4200mAh/g，是传统石墨材料放电比容量的10倍，其应用可大幅度提高锂离子电池的能量密度。但是在这种化合物形成时，组分晶体的结构会发生重构，并伴随着大的体积膨胀(高达300％)。同时还会在晶体材料中导致两相边界区域产生不均匀的体积变化，造成硅颗粒的破裂或粉化而导致其与电极失去接触，甚至造成负极的崩塌，嵌入硅中的锂在随后过程中无法脱出，形成所谓的“死锂”。由于硅自身存在这种严重的体积效应，严重制约硅负极材料的产业化道路。针对这一缺点，近年来主要通过以下几个方面来改善硅材料的循环性：1、纳米硅材料为了提高单质硅的循环性能，将硅纳米化可在一定程度上降低硅的体积变化，减小电极内部应力。尽管硅纳米线、硅纳米管在充放电过程中体积会膨胀收缩，长度和直径也会发生变化，但是硅纳米线或管有序阵列存在的空隙可以缓冲体积的变化，使得在反复充放电过程中结构不破裂，同时电子能够有效地从集流体流向纳米线或管，且纳米线或管阵列间渗透的电解液缩短了锂离子扩散的路径，使其具有良好的循环性及高倍率放电性。尽管硅纳米线、硅纳米管的循环性较好，但其制备过程复杂，产量低，难以工业化大规模生产，实用化程度低。2、硅基复合材料研究较多的硅基复合材料主要有硅-碳复合材料。由于碳具有较好的柔性、良好的电子导电性、较小的密度、较小的体积膨胀(10％)，因此成为硅基负极材料的活性基质。在硅表面进行碳包覆后，有利于隔绝硅与电解液的接触，减少表面积，降低不可逆容量，同时也防止充放电过程中硅颗粒的团聚和生长，从而提高硅基负极材料的容量保持性能。但硅碳复合材料也存在一些问题，制备时通常采用热解法、球磨法、气相沉积法和聚合-热解法等，这些方法得到的材料均一性较差，且硅在碳基质中分散性不好，硅碳的界面接触较差。现有技术中还提出对聚酰亚胺包覆纳米硅颗粒高温煅烧和粉碎，然后再与石墨共混得到硅碳复合材料，但该方法步骤繁多，过程复杂。因此，有必要对现有技术进行改进，提供一种新的制备硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1.制备硅基悬浮液；S2.将碳材料加入所述硅基悬浮液中，制备得到前驱液；S3.将所述前驱液通过静电喷雾沉积法在衬底上进行沉积，得到三维多孔硅基碳复合薄膜材料。优选地，所述步骤S1具体包括：将硅基材料加入醇溶剂中，超声处理获得分散均匀的硅基悬浮液；其中，所述硅基材料与所述醇溶剂质量比为1:50～200。优选地，所述步骤S2具体包括：将碳材料加入所述硅基悬浮液中，超声处理得到前驱液；其中，超声处理时间为10-60min，所述硅基悬浮液中硅基材料与所述碳材料的质量比为9:1～1:5。优选地，所述步骤S3中的静电喷雾沉积法所采用的针尖内径为0.1-10mm，所述针尖与所述衬底之间的距离为1-20cm，施加电压为10kV，所述前驱液的加料速度为0.1-5mL/h。优选地，沉积时所述衬底的温度为100-700℃。优选地，沉积时间为1-10h。优选地，所述硅基材料为硅、硅化物、纳米硅、硅的氧化物、硅的非金属化合物或硅的金属化合物。优选地，所述醇溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丁醇、卡必醇中的一种或多种。优选地，所述碳材料为天然石墨、人造石墨、石墨化碳材料、软碳、硬碳、石墨烯中的一种或多种。优选地，所述衬底为不锈钢、泡沫镍、铜箔、镍箔、碳纸或碳毡。本专利技术的反应机理为：利用前驱液进行静电喷雾沉积时，醇溶剂之间发生聚合反应，形成低摩尔质量的多元醇低聚物，生成的多元酵低聚物在衬底表面发生分解反应或蒸发，使得到的硅基碳复合薄膜材料具有均匀且连续多孔网状结构。这种三维多孔网状结构不仅为循环过程中硅基材料体积变化提供缓冲空间，有效地改善了硅基材料在充电时体积膨胀的现象，而且增加了电极与电解液间接触面积。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，通过制备硅基、碳材料的前驱液，并采用静电喷雾沉积方法在衬底上沉积制得硅基碳复合薄膜材料，方法简单，易于操作；(2)本专利技术的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，得到的硅基碳复合薄膜材料，具有均匀且连续多孔网状结构；(3)本专利技术的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，有效地改善了硅基材料在充电时体积膨胀的现象，而且增加了电极与电解液之间的接触面积；(4)本专利技术的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，有效改善了材料的比容量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例1制备的锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料组装成电池后的比容量循环曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本专利技术公开了一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1.制备硅基悬浮液：将45mL乙醇、10mL乙二醇和45mL1,2-丙二醇进行混合得到醇溶剂混合液；其中，醇溶剂均为分析醇；将0.07g纳米硅粉加入所述醇溶剂混合液中，进行超声振荡处理15min，获得分散均匀的硅基悬浮液；S2.制备前驱液：将0.01g天然石墨加入所述硅基悬浮液中，超声处理15min后得到前驱液；S3.静电喷雾沉积：将所述前驱液通过静电喷雾沉积法在250℃的不锈钢衬底上沉积4h，得到三维多孔硅基碳复合薄膜材料。所采用的针尖内径为0.8mm，所述针尖与所述衬底之间的距离为4cm，施加电压为10kV，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.制备硅基悬浮液；S2.将碳材料加入所述硅基悬浮液中，制备得到前驱液；S3.将所述前驱液通过静电喷雾沉积法在衬底上进行沉积，得到三维多孔硅基碳复合薄膜材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.制备硅基悬浮液；S2.将碳材料加入所述硅基悬浮液中，制备得到前驱液；S3.将所述前驱液通过静电喷雾沉积法在衬底上进行沉积，得到三维多孔硅基碳复合薄膜材料。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将硅基材料加入醇溶剂中，超声处理获得分散均匀的硅基悬浮液；其中，所述硅基材料与所述醇溶剂质量比为1:50-200。3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：将碳材料加入所述硅基悬浮液中，超声处理得到前驱液；其中，所述硅基悬浮液中硅基材料与所述碳材料的质量比为9:1-1:5。4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池三维多孔硅基碳复合薄膜负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的静电喷雾沉积法所采用的针尖内径为0.1-10mm，所述针尖与所述衬底之间的距离为1-20cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：张芳芳，赵亚，刘桐桐，杨冬生，翟博，刘俊军，
申请(专利权)人：浙江衡远新能源科技有限公司，山东衡远新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33