Si/SiO2/C复合纳米纤维材料及其制备方法与负极材料技术

本发明专利技术提供了一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料及其制备方法与负极材料，涉及电池材料领域，该Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，包括：碳纳米纤维；和Si/SiO2颗粒，Si/SiO2颗粒位于碳纳米纤维内部，且为SiO2包覆Si颗粒形成的核壳结构。利用该复合纳米纤维材料能够缓解现有碳包覆硅的核壳结构的复合材料中，碳包覆层容易与硅脱离和破裂进而影响电池循环稳定性的技术问题，达到提高硅碳复合材料结构稳定性的目的。

【技术实现步骤摘要】
Si/SiO2/C复合纳米纤维材料及其制备方法与负极材料
本专利技术涉及电池材料领域，尤其是涉及一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料及其制备方法与负极材料。
技术介绍
在绿色能源技术和低碳经济高速发展的时代，对锂离子电池负极材料的选择提出了越来越高的要求。目前商业化生产应用的锂离子负极主要为石墨类负极材料，然而石墨的理论比容量仅为372mAh/g，用石墨负极制备出的电池远远满足不了电动汽车的续航要求，从而制约了锂离子电池在动力电池领域方面的应用发展。在众多潜在的替代石墨的材料中，理论容量达到4200mAh/g，硅以其独特的优势和潜力吸引了越来越多的目光。然而，硅材料在做为锂离子电池负极时，其体积膨胀可以达到300％，这将导致硅自身粉化、脱离导电网络、表面SEI膜破裂消耗电解液和活性锂；同时硅自身的导电性极差，这些问题的存在都会导致电池首次效率偏低，循环性能差。上述问题均为阻碍硅在锂离子电池领域大规模应用的难题。为了解决上述问题，研究者们将目光投向了硅碳复合材料。碳材料导电性好而且体积效应小，适合作为硅的包覆材料，将碳材料包覆在硅颗粒表面可以起到缓冲硅体积效应和增强电子电导的作用，而且碳壳的存在减小了硅表面与电解液的副反应。目前的硅碳复合材料主要为碳包覆硅的核壳结构的复合材料，该结构中，硅碳以单个颗粒形式存在，在硅反复发生体积膨胀收缩变化时，碳包覆层容易与硅脱离和破裂，因此，会降低硅碳复合材料的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，以缓解现有碳包覆硅的核壳结构的复合材料中，碳包覆层容易与硅脱离和破裂进而影响电池循环稳定性的技术问题。本专利技术的第二目的在于提供一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的制备方法，以缓解利用现有制备方法得到的硅碳复合材料结构稳定性差的问题。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，包括：碳纳米纤维，和Si/SiO2颗粒，位于所述碳纳米纤维内部，且为SiO2包覆Si颗粒形成的核壳结构。可选地，根据本专利技术的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，Si/SiO2颗粒的粒径﹤碳纳米纤维的直径﹤2倍的Si/SiO2颗粒的粒径。可选地，根据本专利技术的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，所述Si/SiO2颗粒的粒径为55～75nm，所述Si颗粒的粒径为50～70nm；所述碳纳米纤维的直径为56～150nm。一种上述Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：提供含Si/SiO2颗粒的静电纺丝分散液，经静电纺丝和碳化处理后得到所述Si/SiO2/C复合纳米纤维材料。可选地，根据本专利技术的制备方法，所述静电纺丝分散液的制备方法包括以下步骤：a)制备Si/SiO2颗粒：提供含锂盐和络合剂的混合水溶液，将Si颗粒加入到所述混合液中制备凝胶，所述凝胶依次经干燥、破碎和煅烧后得到Li4SiO4包覆Si的Si/Li4SiO4颗粒，所述Si/Li4SiO4颗粒经加热水解得到Si/SiO2颗粒；b)提供静电纺丝溶液，将所述静电纺丝溶液与步骤a)所得Si/SiO2颗粒混合得到静电纺丝分散液。可选地，根据本专利技术的制备方法，在所述步骤a)中，制备的凝胶中Li和Si的摩尔比为1:2～1:3；在所述步骤a)中，煅烧的工艺条件为：以1～5℃/min的升温速度升温至350～450℃，保温1～3h；在所述步骤a)中，加热水解的工艺条件为：将所述Si/Li4SiO4颗粒置于去离子水中，在90～99℃下搅拌1～2h得到Si/SiO2颗粒。可选地，根据本专利技术的制备方法，在所述步骤b)中，在所述静电纺丝溶液中溶质的质量分数为6～12％，所述溶质为碳源；在所述步骤b)中，Si/SiO2颗粒与静电纺丝溶液中所述溶质的质量比为1:25～1:1。可选地，根据本专利技术的制备方法，所述静电纺丝工艺包括：喷丝针头接地，收集平台接26～35kV电压，喷丝针头与收集平台之间的距离设定为8～15cm，所述静电纺丝分散液在26～35kV电压的作用下进行静电纺丝，得到前驱体纤维。可选地，根据本专利技术的制备方法，所述碳化处理包括以下步骤：经静电纺丝得到的前驱体纤维，先在空气气氛下，以1～5℃/min的升温速度升温到230～300℃，保温1～3h；再在惰性气氛中，从室温以1～5℃/min的升温速度升温到500～800℃，保温1～3h，得到Si/SiO2/C复合纳米纤维材料。一种负极材料，包括本专利技术的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，或利用本专利技术制备方法得到的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料。与已有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料中，Si颗粒外层首先包覆有SiO2形成Si/SiO2的核壳结构，然后再使Si/SiO2颗粒位于碳纳米纤维内部。一方面，由于碳纳米纤维具有的一维结构，束缚了硅在径向方向上的膨胀；从而极大地改善了传统的硅碳复合材料中碳基体容易受到硅的膨胀应力而发生破裂和脱落的问题；另一方面，Si颗粒表面还包覆有SiO2包覆层，对硅的膨胀也有一定的缓冲作用，因此，SiO2包覆层和碳纳米纤维对硅在充放电过程中的体积膨胀起到了双重保护作用，从而有效防止碳材料的脱离和破损。此外，由于碳纳米纤维其一维连续的形貌可以作为电子的良好的传输通道，从而极大地提高了硅材料的导电能力；同时，SiO2包覆层和碳纳米纤维的双层结构对硅材料表面起到了保护作用，减小了硅和电解液的副反应。本专利技术提供的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料应用于高能量密度的锂离子电池负极时，表现出优异的循环稳定性和倍率性能。当在Si/SiO2/C复合纳米纤维材料中硅的质量百分比含量为10～15％时，通过充放电循环性能测试，在0.1C的倍率下，循环100圈容量保持率在95％以上；在1C的倍率下，循环100圈容量保持率在90％以上。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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为本专利技术一种实施方式的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的结构示意图；图2为本专利技术本专利技术一种实施方式的Si/SiO2颗粒的结构示意图；图3为本专利技术实施例3中Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的SEM图；图4为本专利技术实施例4中Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的SEM图。图标：10-碳纳米纤维；20-Si/SiO2颗粒；201-Si颗粒；202-SiO2包覆层。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。一方面，本专利技术提供了一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，包括：碳纳米纤维，和Si/SiO2颗粒，位于碳纳米纤维内部，且为SiO2包覆Si颗粒形成的核壳结构。本专利技术的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料中，Si颗粒外层首先包覆有SiO2形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，其特征在于，包括：碳纳米纤维；和Si/SiO2颗粒，位于所述碳纳米纤维内部，且为SiO2包覆Si颗粒形成的核壳结构。

【技术特征摘要】
1.一种Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，其特征在于，包括：碳纳米纤维；和Si/SiO2颗粒，位于所述碳纳米纤维内部，且为SiO2包覆Si颗粒形成的核壳结构。2.根据权利要求1所述的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，其特征在于，Si/SiO2颗粒的粒径﹤碳纳米纤维的直径﹤2倍的Si/SiO2颗粒的粒径。3.根据权利要求2所述的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料，其特征在于，所述Si/SiO2颗粒的粒径为55～75nm，所述Si颗粒的粒径为50～70nm；所述碳纳米纤维的直径为56～150nm。4.一种权利要求1-3任一所述的Si/SiO2/C复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供含Si/SiO2颗粒的静电纺丝分散液，经静电纺丝和碳化处理后得到所述Si/SiO2/C复合纳米纤维材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝分散液的制备方法包括以下步骤：a)制备Si/SiO2颗粒：提供含锂盐和络合剂的混合水溶液，将Si颗粒加入到所述混合水溶液中制备凝胶，所述凝胶依次经干燥、破碎和煅烧后得到Li4SiO4包覆Si的Si/Li4SiO4颗粒，所述Si/Li4SiO4颗粒经加热水解得到Si/SiO2颗粒；b)提供静电纺丝溶液，将所述静电纺丝溶液与步骤a)所得Si/SiO2颗粒混合得到静电纺丝分散液。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤a)中，制备的凝胶中Li和Si的摩尔比...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹壮，
申请(专利权)人：桑德集团有限公司，桑顿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：西藏,54