一种高容量硅基复合负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及新材料领域，提供一种高容量硅基复合负极材料，该硅基复合负极材料的分子式为Ce

【技术实现步骤摘要】
一种高容量硅基复合负极材料及其制备方法
本专利技术涉及新材料领域，具体涉及一种高容量硅基复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
负极材料是锂电池在充电过程中锂离子和电子的载体，起着能量的储存与释放的作用；在电池成本中，负极材料占5～15％,是锂离子电池的重要原材料之一。当前商业化的锂电池负极材料主要是改性天然石墨和人造石墨，尽管制备技术已相当成熟，但其理论比容量只有372mAh/g，难以满足市场对大容量锂离子电池的需求，因此研发人员在加大更高克容量的硅基负极研发。鉴于石墨负极已达到理论容量天花板，硅是目前负极材料中比容量最高的，其理论最大比容量可达到4200mAh/g。但硅基负极目前成本过高(普通石墨3倍以上)。目前主流的方案是将硅氧和硅碳复配石墨后再使用，常规的克容量型号有400、407、420、450、550、650mAh/g，还远未达到其理论极限。因此，进一步开发具有实用价值的高容量硅基负极材料及其制备方法就成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高容量硅基复合负极材料及其制备方法。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种高容量硅基复合负极材料，该硅基复合负极材料的分子式为Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外观呈棉絮状，比容量范围在1900～2200mAh/g。本专利技术进一步提供了所述高容量硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按摩尔比3∶6∶7∶4取次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧作为溶质，按质量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去离子水、异丙醇和正丁醇，混合均匀制成溶剂；将溶质加入溶剂中，溶质的总质量与溶剂的质量比为17.6％；在80℃条件下，搅拌5～7分钟，得到混合液一，备用；通过该步骤制备均匀的前驱体溶液。(2)将纳米二氧化硅加至混合液一中，纳米二氧化硅与混合液一的质量比为20％；在80℃条件下，搅拌3～5小时，得到混合液二，备用；在该步骤中通过加入硅源以获得硅基材料。(3)将混合液二降温至0℃，加入环氧丙烷，并搅拌均匀；环氧丙烷与混合液二的质量比为5％；静置10～12小时，得到混合凝胶；在该步骤中，通过凝胶化工艺使得体系固化为一个整体。(4)将步骤(3)所得混合凝胶在氩气气氛下升温至810～830℃，保温2～4小时；冷却至室温后，即得到高容量硅基复合负极材料。在该步骤中通过高温煅烧实现掺杂。本专利技术所述步骤(2)中，次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧、甲醇、异丙醇和正丁醇均为分析纯。本专利技术所述步骤(2)中，纳米二氧化硅为固体粉末状，其粒径为100nm～300nm。专利技术原理描述：与现有技术中硅氧复配石墨和硅碳复配石墨方案相比，本专利技术通过磷、铈、镧三元共掺杂实现高容量硅基负极材料的制备，得到单纯的经过改性的硅基材料。通过磷、铈、镧三种元素的协同作用扩展并优化锂的扩散通路，提升硅基负极材料本征柔性，同时提高负极充放电稳定性。其中，扩散通路是指在电化学反应中锂离子的扩散路径。经过扩散路径的优化可提高锂离子扩散效率，利于容量提高。由于硅基负极材料在电化学反应中不断循环脱/嵌锂，造成体系循环增大减小，若结构刚性太强则容易造成结构失效影响稳定性。本专利技术所得硅基材料中硅原子配位数减小，大大提高了Si-O键以及Si-P键的自由度，有利于提高本征柔性。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术利用磷、铈、镧三种元素共掺杂的协同作用，使得所得硅基负极材料具有更高的本征柔性以及相对现有硅基负极材料更高的容量。2、本专利技术利用硫酸铵在高温下对硅基材料的刻蚀特性，构造更加柔性的硅基复合材料结构，从而使其具有更好的充放电稳定性。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。以下实施例中，次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧、甲醇、异丙醇和正丁醇均为分析纯。实施例1：高容量硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按摩尔比3∶6∶7∶4取次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧作为溶质，按质量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去离子水、异丙醇和正丁醇，混合均匀制成溶剂；将溶质加入溶剂中，溶质的总质量与溶剂的质量比为17.6％；80℃条件下，搅拌5分钟，得到混合液一，备用；(2)将粒径为100nm的纳米二氧化硅加至混合液中；纳米二氧化硅与混合液一质量比为20％；80℃条件下，搅拌3小时，得到混合液二，备用；(3)将混合液二降温至0℃，加入环氧丙烷，并搅拌均匀；环氧丙烷与混合液二质量比为5％；静置10小时，得到混合凝胶；(4)将步骤(3)所得混合凝胶，置于氩气气氛下，升温至810℃，保温2小时，冷却至室温后，即可得到高容量硅基复合负极材料。该硅基复合负极材料的分子式为Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外观呈棉絮状；以电荷库伦法测试，比容量达到1900mAh/g。实施例2:高容量硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按摩尔比3∶6∶7∶4取次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧作为溶质，按质量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去离子水、异丙醇和正丁醇，混合均匀制成溶剂；将溶质加入溶剂中，溶质的总质量与溶剂的质量比为17.6％；80℃条件下，搅拌6分钟，得到混合液一，备用；(2)将粒径为200nm的纳米二氧化硅加至混合液中；纳米二氧化硅与混合液一质量比为20％；80℃条件下，搅拌4小时，得到混合液二，备用；(3)将混合液二降温至0℃，加入环氧丙烷，并搅拌均匀；环氧丙烷与混合液二质量比为5％；静置11小时，得到混合凝胶；(4)将步骤(3)所得混合凝胶，置于氩气气氛下，升温至820℃，保温3小时，冷却至室温后，即可得到高容量硅基复合负极材料。该硅基复合负极材料的分子式为Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外观呈棉絮状；以电荷库伦法测试，比容量达到2050mAh/g。实施例3:高容量硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按摩尔比3∶6∶7∶4取次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧作为溶质，按质量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去离子水、异丙醇和正丁醇，混合均匀制成溶剂；将溶质加入溶剂中，溶质的总质量与溶剂的质量比为17.6％；80℃条件下，搅拌7分钟，得到混合液一，备用；(2)将粒径为300nm的纳米二氧化硅加至混合液中；纳米二氧化硅与混合液一质量比为20％；80℃条件下，搅拌5小时，得到混合液二，备用；(3)将混合液二降温至0℃，加入环氧丙烷，并搅拌均匀；环氧丙烷与混合液二质量比为5％；静置12小时，得到混合凝胶；(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高容量硅基复合负极材料，其特征在于，该硅基复合负极材料的分子式为Ce

【技术特征摘要】
1.一种高容量硅基复合负极材料，其特征在于，该硅基复合负极材料的分子式为Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外观呈棉絮状，比容量范围在1900～2200mAh/g。


2.权利要求1所述高容量硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按摩尔比3∶6∶7∶4取次亚磷酸钠、硫酸铵、硝酸铈、硝酸镧作为溶质，按质量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去离子水、异丙醇和正丁醇，混合均匀制成溶剂；将溶质加入溶剂中，溶质的总质量与溶剂的质量比为17.6％；在80℃条件下，搅拌5～7分钟，得到混合液一，备用；
(2)将纳米二氧化硅加至混合液一中，纳米二氧化硅与混合液一的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玲洁，王小琳，
申请(专利权)人：浙江大学自贡创新中心，
类型：发明
国别省市：四川;51