一种硅基负极材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术公开了一种硅基负极材料及其制备方法、应用，属于锂离子电池材料技术领域。该制备方法包括：a，在硅纳米颗粒的表面包覆金属纳米颗粒，得到硅/金属复合颗粒；b，将硅/金属复合颗粒分散在去离子水中得到硅/金属复合颗粒分散液，再向硅/金属复合颗粒分散液中加入第一氧化石墨烯悬浮液并混合均匀；c，将硅/金属复合颗粒分散液和第一氧化石墨烯悬浮液的混合液与第二氧化石墨烯悬浮液分别从双喷嘴纺丝机的核心通道和壳通道中注入到凝固溶液中，凝固后得到以硅/金属复合颗粒为核心、以氧化石墨为外壳的纤维；d，对所得纤维进行洗涤、抽滤、干燥后得到硅基负极材料。该硅基负极材料能够与集流体紧密接触，并且导电性能好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池材料
，特别涉及一种硅基负极材料及其制备方法、应用。
技术介绍
随着科技的进步，锂离子电池的应用越来越广泛。锂离子具有能量密度高、使用寿命长、循环性能好且无记忆效应等优点。传统锂离子电池的负极材料为石墨。石墨的理论嵌锂容量为372mAh/g，实际已达到370mAh/g，因此，石墨类负极材料在容量上几乎已无提升空间。近年来，各种新型的高容量和高倍率负极材料被开发出来，其中硅基负极材料由于其高的质量比容量(硅的理论比容量为4200mAh/g)而成为研究热点。然而硅基负极材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电极上的电活性物质粉化脱落，影响了活性物质材料和集流体之间的连接，干扰了电子传输，最终导致容量衰减。同时，由于在脱嵌锂过程过程中产生的重复的体积膨胀和收缩，使得硅基材料与电解质之间形成的SEI膜(SolidElectrolyteInterface，固体电解质界面膜)逐渐增厚。为了克服硅基负极材料比容量衰减的问题，有些资料中提出了在硅基负极材料表面包覆碳层的方法，以增强电子的传输，提高电池的电化学性能。在实现本专利技术的过程中，本专利技术人发现现有技术中至少存在以下问题：包覆碳层之后的硅基负极材料与集流体之间的连接性能仍然较差，随着脱嵌锂过程产生的剧烈的体积变化，硅基负极材料仍然会从集流体上脱落，并且使SEI膜不断增厚。同时，包覆碳层之后的硅基材料，由于没有和集流体之间直接接触，还导致了结电阻的形成。影响锂离子电池的性能。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术提供一种与集流体连接性能好、电子传输能力强的硅基负极材料及其制备方法、应用。具体而言，包括以下的技术方案：第一方面，本专利技术实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤a，在硅纳米颗粒的表面包覆金属纳米颗粒，得到硅/金属复合颗粒；步骤b，将硅/金属复合颗粒分散在去离子水中得到硅/金属复合颗粒分散液，再向所述硅/金属复合颗粒分散液中加入第一氧化石墨烯悬浮液并混合均匀；所述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与所述第一氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；步骤c，将步骤b得到的硅/金属复合颗粒分散液与第一氧化石墨烯悬浮液的混合液加入双喷嘴纺丝机的核心通道中，将第二氧化石墨烯悬浮液加入所述双喷嘴纺丝机的壳通道中，将所述混合液和所述第二氧化石墨烯悬浮液分别以5～15ml/h和50～70ml/h的速度注入到凝固溶液中，凝固后得到以硅/金属复合颗粒为核心、以氧化石墨为外壳的纤维；所述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与所述第二氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；步骤d，对步骤c所得纤维进行洗涤、抽滤以及干燥后得到所述硅基负极材料。进一步地，步骤a中，所述硅纳米颗粒的粒径为10～100nm。进一步地，所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒或者铜纳米颗粒。进一步地，步骤a中，采用液相沉积法在所述硅纳米颗粒的表面包覆所述金属纳米颗粒。进一步地，当所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒时，步骤a具体包括：将硅纳米颗粒分散在乙醇中得到硅纳米颗粒分散液；向所述硅纳米颗粒分散液中加入硝酸银和正丁胺，在搅拌条件下进行反应，对所得产物进行洗涤、抽滤以及干燥后即得所述硅/金属复合颗粒；所述硅纳米颗粒和所述硝酸银摩尔比为1:1～2:1。进一步地，将所述硝酸银和正丁胺加入所述硅纳米颗粒分散液中后，搅拌10～20min进行反应。进一步地，步骤d中，在对步骤c所得纤维进行洗涤之前先将所述纤维在质量浓度为0.4％～0.6％的醋酸溶液中浸泡2～4h。进一步地，所述第一氧化石墨烯悬浮液和第二氧化石墨烯悬浮液的制备方法为：以石墨粉为原料，采用改良的Hummer’s方法制备氧化石墨烯，将制备得到的氧化石墨烯分散在去离子水中并在超声作用下分散均匀即得所述第一氧化石墨烯悬浮液和第二氧化石墨烯悬浮液。第二方面，本专利技术实施例提供一种本专利技术第一方面所述的制备方法制备得到的硅基负极材料。第三方面，本专利技术实施例提供一种本专利技术第二方面所述的硅基负极材料在锂离子电池中的应用。本专利技术实施例提供的技术方案的有益效果：本专利技术实施例提供的制备方法中利用双喷嘴纺丝机制备以硅/金属复合颗粒为核心、以氧化石墨为外壳的硅基负极负极材料。硅/金属复合颗粒核心中，硅纳米颗粒和金属纳米颗粒紧密接触，增强了硅基负极材料的导电性；氧化石墨不仅具有良好的导电性，而且其分子结构中还含有含氧官能团，能够与粘接剂和集流体牢固结合，防止在充放电过程中由于硅基材料剧烈的体积变化引起的从集流体上脱落的问题，而且氧化石墨还具有良好的阻隔性，从而在一定程度上限制SEI膜的增厚。综上，采用本专利技术实施例的制备方法制备得到的硅基负极材料能够与集流体紧密接触，解决了因硅基材料本身在充放电过程中剧烈的体积变化而导致的与集流体脱落的问题，并且限制了硅基材料与电解质之间SEI膜的增厚，还具有良好的导电性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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他的附图。图1为本专利技术实施例提供的硅基负极材料的结构示意图。图中附图标记分别表示：1-硅纳米颗粒，2-金属纳米颗粒，3-氧化石墨。具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本专利技术实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。第一方面，本专利技术实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1，在硅纳米颗粒的表面包覆金属纳米颗粒，得到硅/金属复合颗粒；步骤2，将硅/金属复合颗粒分散在去离子水中得到硅/金属复合颗粒分散液，再向硅/金属复合颗粒分散液中加入第一氧化石墨烯悬浮液并混合均匀；硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与第一氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；步骤3，将步骤2得到的硅/金属复合颗粒分散液与第一氧化石墨烯悬浮液的混合液加入双喷嘴纺丝机的核心通道中，将第二氧化石墨烯悬浮液加入双喷嘴纺丝机的壳通道中，将混合液和第二氧化石墨烯悬浮液分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤a，在硅纳米颗粒的表面包覆金属纳米颗粒，得到硅/金属复合颗粒；步骤b，将硅/金属复合颗粒分散在去离子水中得到硅/金属复合颗粒分散液，再向所述硅/金属复合颗粒分散液中加入第一氧化石墨烯悬浮液并混合均匀；所述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与所述第一氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；步骤c，将步骤b得到的硅/金属复合颗粒分散液与第一氧化石墨烯悬浮液的混合液加入双喷嘴纺丝机的核心通道中，将第二氧化石墨烯悬浮液加入所述双喷嘴纺丝机的壳通道中，将所述混合液和所述第二氧化石墨烯悬浮液分别以5～15ml/h和50～70ml/h的速度注入到凝固溶液中，凝固后得到以硅/金属复合颗粒为核心、以氧化石墨为外壳的纤维；所述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与所述第二氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；步骤d，对步骤c所得纤维进行洗涤、抽滤以及干燥后得到所述硅基负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步
骤：
步骤a，在硅纳米颗粒的表面包覆金属纳米颗粒，得到硅/金属复合颗粒；
步骤b，将硅/金属复合颗粒分散在去离子水中得到硅/金属复合颗粒分散液，
再向所述硅/金属复合颗粒分散液中加入第一氧化石墨烯悬浮液并混合均匀；所
述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积浓度与所述第一氧化石墨烯悬浮液的质量
体积浓度的比为20:1～10:1；
步骤c，将步骤b得到的硅/金属复合颗粒分散液与第一氧化石墨烯悬浮液
的混合液加入双喷嘴纺丝机的核心通道中，将第二氧化石墨烯悬浮液加入所述
双喷嘴纺丝机的壳通道中，将所述混合液和所述第二氧化石墨烯悬浮液分别以
5～15ml/h和50～70ml/h的速度注入到凝固溶液中，凝固后得到以硅/金属复合颗
粒为核心、以氧化石墨为外壳的纤维；所述硅/金属复合颗粒分散液的质量体积
浓度与所述第二氧化石墨烯悬浮液的质量体积浓度的比为20:1～10:1；
步骤d，对步骤c所得纤维进行洗涤、抽滤以及干燥后得到所述硅基负极材
料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述硅纳米
颗粒的粒径为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒为银
纳米颗粒或者铜纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀田，赵志刚，海滨，朱广燕，杨玉梅，
申请(专利权)人：奇瑞汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34