The invention belongs to the field of lithium ion battery materials, and discloses a nanotube silicon-based material with core-shell structure and its preparation and application. Soluble macromolecule and pore-forming agent were dissolved in organic solvents, then nano-silica was added to disperse uniformly by ultrasound to obtain the spinning slurry. Then nano-fiber films with oriented fibers were prepared by electrospinning. After Pre-oxidation and carbonization in inert atmosphere, nano-tubular flexible materials coated with carbon nano-silica particles were obtained. Finally, the nano-tubular flexible materials were mixed with magnesium powder. Carbon-coated silicon nanotubes with core-shell structure were prepared by magnesium thermal reduction in inert atmosphere. The nanotube silicon-based material with core-shell structure obtained by the invention has excellent cyclic stability and rate performance when applied to the negative electrode of lithium-ion battery, and has good application prospect.
【技术实现步骤摘要】
一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料及制备与应用
本专利技术属于锂离子电池材料领域,具体涉及一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料及制备与应用。
技术介绍
为应对不可持续的能源消耗和日益恶化的环境,实施新能源战略已经成为大众的共识。可充电锂离子电池因其能量密度高、无记忆效应和循环性能优异等特点,在各种微小型移动终端设备的应用得到普及。但对于许多领域,如新能源汽车、大型储能电站和航空运输等,现有的锂离子电池体系仍然难以满足实用要求。经过各大科研单位的不断探索,硅基负极材料由于其极高的理论容量(4200mAh/g,约为石墨电极理论容量的11倍)得到人们的广泛关注。此外,硅基负极还具有安全性高、储量丰富、相对较低的放电电压(<0.5V)等优点,成为目前最有可能取代商业化石墨负极的新材料。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺,聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。静电纺丝技术在构筑一维纳米结构材料领域已发挥了非常重要的作用,应用静电纺丝技术已经成功的制备出了结构多样的纳米纤维材料。通过不同的制备方法,如改变喷头结构、控制实验条件等,可以获得实心、空心、核-壳结构的超细纤维或是蜘蛛网状结构的二维纤维膜;通过设计不同的收集装置,可以获得单根纤维、纤维束、高度取向纤维或无规取向纤维膜等。硅基负极材料在工业化的过程中遇到一些挑战。在硅与锂进行合金化反应放电时,由于锂离子的嵌入,硅的体积会剧烈膨胀(>300%),而在充电脱锂的过程中,硅的 ...
【技术保护点】
1.一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料的制备方法,其特征在于包括如下制备步骤:(1)将可溶性高分子和造孔剂溶于有机溶剂,然后加入纳米二氧化硅超声分散均匀,得到纺丝浆液;(2)将步骤(1)所得纺丝浆液通过静电纺丝制备具有取向纤维的纳米纤维薄膜;(3)将步骤(2)所得具有取向纤维的纳米纤维薄膜在惰性气氛下经过预氧化和碳化过程,得到碳包覆纳米二氧化硅颗粒的纳米管状柔性材料;(4)将步骤(3)所得纳米管状柔性材料与镁粉混合,在惰性气氛下进行镁热还原反应,得到碳包覆硅颗粒的纳米管状具有核壳结构的硅基材料。
【技术特征摘要】
1.一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料的制备方法,其特征在于包括如下制备步骤:(1)将可溶性高分子和造孔剂溶于有机溶剂,然后加入纳米二氧化硅超声分散均匀,得到纺丝浆液;(2)将步骤(1)所得纺丝浆液通过静电纺丝制备具有取向纤维的纳米纤维薄膜;(3)将步骤(2)所得具有取向纤维的纳米纤维薄膜在惰性气氛下经过预氧化和碳化过程,得到碳包覆纳米二氧化硅颗粒的纳米管状柔性材料;(4)将步骤(3)所得纳米管状柔性材料与镁粉混合,在惰性气氛下进行镁热还原反应,得到碳包覆硅颗粒的纳米管状具有核壳结构的硅基材料。2.根据权利要求1所述的一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述可溶性高分子为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的至少一种;所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛和聚乳酸中的至少一种;所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N、N-二甲基甲酰胺、N、N-二甲基乙酰胺、丙酮和氯仿中的一种或两种以上的混合。3.根据权利要求1所述的一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述纳米二氧化硅的粒径为50~500nm。4.根据权利要求1所述的一种纳米管状具有核壳结构的硅基材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述静电纺丝的纺丝电压为5~30KV,纺丝接收距离为5~50cm,纺丝推送速度为0.01~0.5ml/min,纺丝过程湿度为10%~60%,纺丝过程温度为5~35℃;...
【专利技术属性】
技术研发人员:严玉蓉,吴松平,夏琪,续安鼎,张申魁,黄楚云,陈焯文,李伟培,
申请(专利权)人:华南理工大学,
类型:发明
国别省市:广东,44
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