一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用，其制备方法为：在硅分散液中制备ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极材料领域，涉及一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]锂离子电池由于其优异的稳定性和能量密度，成为了最常见的电化学储能设备，但是，近些年来锂离子电池的能量密度不能够满足我们的需求，这主要是由于商用石墨负极的理论比容量较低(372mAh/g)。因此寻找一种具有高比容量的负极材料是提高锂离子电池能量密度的有效途径。与传统的插层嵌锂机制相比，合金化嵌锂机制往往具有更高的理论容量。而硅材料是最有前途的具有合金化嵌锂机制的负极材料。这不仅仅是由于硅在地球中的储量丰富，成本较低。而且硅作为负极材料，理论比容量高达4200mAh/g。因此硅被认为是下一代可商用负极材料。
[0004]然而，专利技术人研究发现，硅负极材料的商业化，和大多数合金化负极材料相同，脱嵌锂过程中的体积变化是其的最大阻碍。此外，硅的电导率较低，限制了硅负极的倍率性能。在负极材料的实际应用中，硅通常需要与机械性能较高的材料或电导率较高的材料复合来抑制体积膨胀和提高硅负极的电导率。
[0005]碳材料不仅具有较高的机械强度还具有良好的电导率，因此碳材料的包覆能够抑制硅的体积膨胀同时增加复合材料导电率。过渡金属碳化物或氮化物，即MXene，是一种新型的二维材料。MXene具有高导电率，可以进一步改善硅负极的电导率。中国专利公布号CN111384381A公开了一种锂离子电池用硅@碳/MXene三元复合材料及其制备方法。但是，普通的包覆碳不具备良好的孔道结构，在抑制Si的体积膨胀的同时，却减慢了锂离子的传输。
[0006]而金属有机框架衍生碳材料不仅仅拥有碳材料的优点，还继承了金属有机框架材料的良好的孔道结构。这种多孔结构可以作为锂离子传输通道，加快锂离子传输。专利技术人研究认为，硅@碳/MXene材料，其中碳为金属有机框架衍生碳材料，是一种非常有前途的硅基复合负极材料。然而，如何进行金属有机框架材料的包覆是一个特别难以解决的问题。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种碳硅负极材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用，能够将金属有机框架材料包覆硅材料，并将这种材料与MXene复合并进行碳化，金属有机框架衍生碳材料具有丰富的孔道结构，不仅可以抑制硅的体积膨胀也可以加速锂离子的传输，而MXene则可以提高硅负极的电导率，从而使得制备的碳硅负极材料具有良好的电化学性能。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0009]一方面，一种碳硅负极材料的制备方法，在硅分散液中制备ZIF
‑
8，使得ZIF
‑
8包覆硅获得Si@ZIF
‑
8，将Si@ZIF
‑
8与MXene在溶液中进行复合获得Si@ZIF
‑
8/MXene，将Si@ZIF
‑
8/MXene进行碳化获得硅@碳/MXene，即为碳硅负极材料；所述硅的分散液中含有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
[0010]本专利技术利用聚乙烯吡咯烷酮与ZIF
‑
8前驱体锌离子、咪唑基的作用力，ZIF
‑
8与MXene之间的自组装效应采用了金属有机框架材料ZIF
‑
8作为碳前驱体。首先使用PVP对硅的表面进行修饰，使Si颗粒在溶剂中分散均匀。其次，在硅分散液中加入ZIF
‑
8的前驱体溶液，利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与前驱体的作用力将ZIF
‑
8的前驱体吸附到Si颗粒的表面成核、生长进而形成Si@ZIF
‑
8材料。然后，利用ZIF
‑
8与MXene之间的自组装效应在液相中合成Si@ZIF
‑
8@MXenec材料。最后，对Si@ZIF
‑
8@MXenec材料进行碳化处理，合成硅@碳/MXene材料。
[0011]另一方面，一种碳硅负极材料，由上述制备方法获得。
[0012]第三方面，一种上述碳硅负极材料在锂离子电池中的应用。
[0013]第四方面，一种电池负极，包括活性物质、导电材料和粘结剂，所述活性物质为上述碳硅负极材料。
[0014]第五方面，一种锂离子电池，包括正极、隔膜、电解液和上述电池负极。
[0015]本专利技术的有益效果为：
[0016]1.本专利技术在液相中合成硅@碳/MXene材料，方法简单、成本低廉、易于实现，有较强的工业化潜力。
[0017]2.本专利技术合成的硅@碳/MXene材料中碳材料采用金属有机框架衍生碳材料，具有多孔结构可以作为锂离子传输通道加速锂离子传输。
[0018]3.本专利技术易于调控，对于碳层的厚度可以通过改变硅与ZIF
‑
8前驱体的比例进行调节。MXene的含量也可以通过改变MXene与Si@ZIF
‑
8的比例进行调节。通过对结构的调控易于实现材料的性能优化。
[0019]4.本专利技术制备的硅@碳/MXene作为锂离子电池负极，具有优越的电池容量及稳定性。
附图说明
[0020]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0021]图1为本专利技术实施例1制备的硅@ZIF
‑
8材料的透射电子显微镜(TEM)图。
[0022]图2为本专利技术实施例1中将聚乙烯吡咯烷酮替换为其他表面活性剂制备的Si@ZIF
‑
8材料。
[0023]图3为本专利技术实施例1制备的Si@ZIF
‑
8材料的氮气吸脱附曲线与孔径分布图。
[0024]图4为本专利技术实施例1制备的硅@碳/MXene复合材料的扫描电子显微镜(SEM)。
[0025]图5为本专利技术实施例1制备的硅@碳/MXene复合材料的锂离子电池的倍率性能。
[0026]图6为本专利技术实施例1制备的硅@碳/MXene复合材料的锂离子电池的循环性能。
具体实施方式
[0027]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0028]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳硅负极材料的制备方法，其特征是，在硅分散液中制备ZIF
‑
8，使得ZIF
‑
8包覆硅获得Si@ZIF
‑
8，将Si@ZIF
‑
8与MXene在溶液中进行复合获得Si@ZIF
‑
8/MXene，将Si@ZIF
‑
8/MXene进行碳化获得硅@碳/MXene，即为碳硅负极材料；所述硅的分散液中含有聚乙烯吡咯烷酮。2.如权利要求1所述的碳硅负极材料的制备方法，其特征是，将硅粉加入水中，添加聚乙烯吡咯烷酮混合均匀，再离心分离，将分离后的沉淀物分散至有机溶剂中获得硅分散液；优选地，硅粉的直径为30～100nm；优选地，硅粉与聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:2～6；优选地，有机溶剂为乙醇。3.如权利要求1所述的碳硅负极材料的制备方法，其特征是，将硅分散液中添加锌盐混合均匀，然后添加2
‑
甲基咪唑反应产生ZIF
‑
8；优选地，硅分散液中添加锌盐溶液混合均匀，然后添加2
‑
甲基咪唑溶液反应产生ZIF
‑
8；优选地，硅与2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王儒涛，赵涵，张树贤，李崇兴，李桐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：