本发明专利技术公开了一种空心结构材料，包括硅颗粒和不定形碳壳硅颗粒设置在不定形碳壳中。具有以下优点：硅核和碳壳之间的空心部分可用于硅的体积膨胀。表层的碳壳膜隔断了硅与电解液的直接接触，从而能在碳壳的表面形成稳定的固态电解液界面。由于不定形碳具有优良的电子和离子导电性，锂离子和电子都能通过其自由的运输。这种碳包覆的空心材料适用于已有的浆料涂覆法电极制备技术，为其工业化应用奠定了基础。还公开了一种空心结构材料的制备方法。制备方法不涉及诸如硅烷之类的危险气体或者类似化学气相沉积之类的昂贵仪器。其大规模的生产制造很容易实现。对于生产条件控制要求不严格，从而保证了空心结构材料良好的可重复性。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种空心结构材料，包括硅颗粒和不定形碳壳硅颗粒设置在不定形碳壳中。具有以下优点：硅核和碳壳之间的空心部分可用于硅的体积膨胀。表层的碳壳膜隔断了硅与电解液的直接接触，从而能在碳壳的表面形成稳定的固态电解液界面。由于不定形碳具有优良的电子和离子导电性，锂离子和电子都能通过其自由的运输。这种碳包覆的空心材料适用于已有的浆料涂覆法电极制备技术，为其工业化应用奠定了基础。还公开了一种空心结构材料的制备方法。制备方法不涉及诸如硅烷之类的危险气体或者类似化学气相沉积之类的昂贵仪器。其大规模的生产制造很容易实现。对于生产条件控制要求不严格，从而保证了空心结构材料良好的可重复性。【专利说明】
本专利技术属于电化学储能
，具体涉及。
技术介绍
随着移动电子产业和电动汽车产业的不断扩展，如何提高电化学储能装置的能量密度已成为一个越来越迫切需要解决的技术难题。它要求储能装置的电极材料同时具备高的体积容量和质量容量，稳定的电化学性能，低成本以及大规模的生产制造能力。已有的具有高质量和体积容量的电极材料，诸如硅，锗，锡，氧化锡等，因为其在充放电过程中剧烈的体积变化，导致材料的循环稳定性很差。此外，其表面形成的不稳定的固态电解质界面，更进一步的限制了它们的实际应用。 为了提高硅等活性物质在充放电过程中的循环稳定性，科研工作者尝试了许多新的方法与技术。以下列举了三项与此相关的工作。1、硅表层裹覆 (1)“Carbon-Coated Si as a Lithium-1on Battery Anode Material” J.Electrochem.Soc.2002， 149， A1598-A1603(2)“Electrochemical stability of silicon/carbon composite anode forlithium ion batteries，，Electrochimica Acta, 2007，52，4878-4883(3)“Carbon-coated silicon as anode material for lithium ion batteries:advantages and limitations” Electrochimica Acta, 2003， 48， 1579-1587 在这些文献中，碳或者金属被用来裹覆在硅的表面。这些表面裹覆能在一定程度上起到稳定硅的循环稳定性的作用，但是其很容易由于硅的体积膨胀而破裂，导致硅与电解液的直接接触，从而形成不稳定的固体电解液界面。2、二氧化硅裹覆硅纳米管“Stable cycling of double-walled silicon nanotube battery anodes throughsolid - electrolyte interphase control，，Nature Nan0.2012，7，310-315 这篇文章描述了以二氧化硅裹覆硅纳米管作为锂电池阳极。外层的二氧化硅不仅有助于形成稳定的固态电解质界面，而且束缚了硅向外的膨胀。同时，管状结构中间的空间可用来缓解硅的体积膨胀所带来的不良效应，从而获得良好的循环性能。但是由于这种材料的制造需要用到硅烷以及CVD系统，极大的提高了生产的难度和成本。3、硅纳米颗粒嵌入碳纳米管(1)“Engineering Empty Space between Si Nanoparticles for Lithium-1onBattery Anodes” Nano Lett.2012， 12， 904-909(2)“Electrospun Core - Shell Fibers for Robust Silicon Nanoparticle-BasedLithium 1n Battery Anodes” Nano Lett.2012， 12， 802-807在这些工作中，纳米级的硅颗粒被嵌入碳纳米管中。由于碳纳米管的中空部分为硅的体积膨胀预留了一定的空间，整个电极的循环性能得以稳定。但是这种材料在实际应用上还有一定的局限性。首先，硅纳米颗粒在碳纳米管中的分布很难控制，从而降低了材料合成的一致性。其次，为了减少电解液进入纳米管中直接接触到硅，这种方法要求碳纳米管具有一定的长度，从而引入了另一项技术难题。因此，需要一种新的活性材料以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中活性物质在充放电过程中的循环稳定性较差的缺陷，提供一种能够提高电极的循环稳定性，同时保持高能量密度的一种空心结构材料。为解决上述技术问题，本专利技术的空心结构材料所采用的技术方案为: 一种空心结构材料，包括硅颗粒和不定形碳壳，所述硅颗粒设置在所述不定形碳壳中。更进一步的，作为锂电池的阳极，所述硅颗粒由Ge颗粒、Sn颗粒、SnO2颗粒、Al颗粒、Sb颗粒、TiO2颗粒或上述材料的合金颗粒代替； 作为锂电池的阴极，所述娃颗粒由LiCoO2颗粒、LiFePO4颗粒、LiMnO2颗粒、LiNiO2颗粒、LiMn2O4 颗粒、LiCoPO4 颗粒、LiNixCoyMni_x_y02 颗粒、LiNixCoyAlzO2 颗粒、LiFe2(SCM)3 颗粒或FeF3颗粒代替； 所述壳层由Al2O3层、TiO2层、CdS层或Fe2O3层代替。更进一步的,所述娃颗粒的大小为Inm-1OOum,所述娃颗粒与不定形碳壳之间的空隙体积为所述娃颗粒体积的(O, 500% ),不定形碳壳的厚度为(O, IOOnm)ο有益效果:本专利技术的空心结构材料具有以下优点:首先，硅核和碳壳之间的空心部分可用于硅的体积膨胀。表层的不定形碳壳膜隔断了硅与电解液的直接接触，从而能在碳壳的表面形成稳定的固态电解液界面。其次，由于不定形碳具有优良的电子和离子导电性，锂离子和电子都能通过其自由的运输。这种不定形碳包覆的空心材料适用于已有的浆料涂覆法(slurry coating)电极制备技术,为其工业化应用奠定了基础。本专利技术还公开了一种空心结构材料的制备方法。本专利技术的空心结构材料的制备方法，包括以下步骤: 1)、以硅颗粒为原始材料，用加热的方法实现对硅颗粒表面的氧化，使得硅颗粒的表面包覆有一层二氧化硅，得到中间产物A ; 2)、将中间产物A加入到含有多巴胺的氨丁三醇缓冲溶液中，对上述混合溶液进行搅拌，直到硅和二氧化硅颗粒表面裹覆上一层多巴胺聚合物，烘干，得到中间产物B ； 3)、将中间产物B放置在加热炉中进行碳化，在氩气保护下，升温至250-550摄氏度，力口热1-3小时，升温至650-1000摄氏度，加热1-5小时，经过上述加热过程，多巴胺聚合物硅和二氧化硅颗粒表面的多巴胺聚合物转化为不定形碳，得到中间产物C ； 4)、将中间产物C放置在HF溶液中进行反应，直到去掉中间产物C中的二氧化硅层，得到空心结构材料。更进一步的，步骤4)中得到的所述空心结构材料中去掉二氧化硅层的硅颗粒的直径为Inm-lOOum，所述二氧化硅层的体积为去掉二氧化硅层的硅颗粒体积的(0，500%),不定形碳层的厚度为(O, IOOnm)ο更进一步的，步骤I)所述的加热过程中通入水蒸气。可以加快氧化速度。更进一步的，步骤3)中，在氩气保护下，升本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种空心结构材料，其特征在于：包括核和壳层，所述核设置在所述壳层中，所述核和壳层之间具有空隙，所述核为硅颗粒，所述壳层为不定形碳壳。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周萨，刘祖琴，韩松，
申请(专利权)人：南京安普瑞斯有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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