一种硅氧复合材料及其制备方法技术

本公开提供了一种硅氧复合材料，该复合材料包括线状多孔骨架和沉积在所述线状多孔骨架孔隙中的硅氧纳米颗粒；所述线状多孔骨架孔径为5-10nm，孔隙率为20-35％，所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-8nm；优选地，所述线状多孔骨架孔径为6-8nm，孔隙率为25-30％；所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-6nm。该复合材料可以作为负极材料进一步缓解充放电过程中体积膨胀产生的应力，提升硅负极材料的导电性和机械强度。提升硅负极材料的导电性和机械强度。

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧复合材料及其制备方法


[0001]本申请涉及锂离子电池
，具体地，涉及一种硅氧复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电动汽车行业的快速发展，对电动汽车的配套动力电池的能量密度、循环寿命、安全性能等方面的要求不断提高。目前，市场上量产的锂离子动力电池的负极材料大多以石墨为主，石墨负极材料的倍率性能不好，副反应较多且层状结构稳定性有待提高，难以满足市场需求。而硅负极材料作为最具潜力的新型负极材料，具有理论容量高(4200mAh/g)、嵌脱锂平台低、资源丰富、安全性好等优点，因此成为锂离子动力电池负极材料的主要研究方向。
[0003]但是，在充放电过程中，硅负极材料会伴随着巨大的体积变化(体积变化高达300％)，从而导致电极材料粉化失去电接触，SEI膜不断破裂和修复，造成容量快速衰减。氧化亚硅的理论容量(2600mAh/g)比硅低，Si-O键的强度是Si-Si键的2倍，且首周反应过程中生成的Li2O、Li4SiO4以骨架网络析出，充当了一种良好的原位缓冲基质，虽然在一定程度上抑制了充放电过程中活性金属硅颗粒的体积效应，但是体积变化带来的问题并不能完全消除，其循环稳定性仍有待提高。并且，在首次循环过程中，由于氧化亚硅中惰性组分的生成，带来了较大的不可逆容量，导致其首次库伦效率低。这些因素极大地限制了氧化亚硅电化学性能发挥及其实际应用。
[0004]因此，需要寻找一种合适的硅负极材料，既可以有效的提高充放电过程中的循环稳定性，又可以提高首次循环过程中的首次库伦效率。
专利技术内容
[0005]本公开的目的在于提供一种硅氧复合材料以缓解充放电过程中体积膨胀产生的应力，进一步提升硅负极材料的导电性和机械强度。
[0006]为了实现上述目的，本公开一方面提供了一种硅氧复合材料，该硅氧复合材料包括线状多孔骨架和沉积在所述线状多孔骨架孔隙中的硅氧纳米颗粒；所述线状多孔骨架孔径为5-10nm，孔隙率为20-35％；所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-8nm；优选地，所述线状多孔骨架孔径为6-8nm，孔隙率为25-30％；所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-6nm。
[0007]可选地，所述线状多孔骨架的材料为多壁碳纳米管、碳纳米纤维和过渡金属氧化物纳米棒中的至少一种；所述过渡金属氧化物纳米棒为Fe3O4纳米棒或Co3O4纳米棒。
[0008]可选地，该复合材料包括包裹在所述线状多孔骨架表面的导电层；所述导电层的厚度为50-100nm；优选为50-70nm。
[0009]可选地，所述导电层为无定型碳导电层。
[0010]可选地，所述导电层的材料为导电聚合物，所述导电聚合物为聚多巴胺、聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶和聚二乙烯噻吩中的至少一种。
[0011]另一方面，本公开提供了一种制备硅氧复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
[0012]S1、在第一碱性溶液中加入与线状多孔骨架前体混合后进行干燥，再进行第一煅烧，得到线状多孔骨架；
[0013]S2、将所述线状多孔骨架在水中分散，得到分散液，然后将所述分散液硅源材料混匀，并对所述硅源材料进行水解处理，得到水解处理后的物料；
[0014]S3、将所述水解处理后的物料进行过滤，得到滤渣，并将所述滤渣在还原性气氛中进行第二煅烧。
[0015]可选地，所述线状多孔骨架前体为多壁碳纳米管、碳纳米纤维和过渡金属氧化物纳米棒；优选所述过渡金属氧化物纳米棒为Fe3O4纳米棒或Co3O4纳米棒；所述硅源材料为硅酸酯，优选所述硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和正硅酸丙酯；所述第一碱性溶液为碱金属氢氧化物的醇溶液，优选所述碱金属氢氧化物的醇溶液为氢氧化钾乙醇溶液和/或氢氧化钠乙醇溶液；所述第一碱性溶液的中的碱金属氢氧化物的浓度为0.1-0.2g/mL；通过加入第二碱性溶液进行所述水解处理，优选所述第二碱性溶液为氨水；所述还原性气氛为氢氩混合气。
[0016]可选地，步骤S1中，所述第一煅烧的条件包括：所述第一煅烧在惰性气体进行，所述第一煅烧的升温速率为2-5℃/min，所述第一煅烧的煅烧温度为600-800℃，所述第一煅烧的煅烧时间为1.5-3h；
[0017]步骤S2中，所述第二煅烧的条件包括：在700-800℃下煅烧1-2h，所述水解的条件包括：所述水解的温度为30-40℃，所述水解的时间为12-18h；所述分散为超声分散，所述分散用水为蒸馏水和/或去离子水，所述超声分散的条件包括：所述超声分散的频率为20-40kHz，所述超声分散的比功率为400-800W/L，所述超声分散时间为15-25min；
[0018]步骤S3中，所述第二煅烧的条件包括：所述第二煅烧的温度为700-800℃，所述第二煅烧的时间1-2h。
[0019]可选地，该方法还包括：将所述第二煅烧所得到的产物与水和导电聚合物单体以及氧化剂混合，并进行导电聚合物的原位聚合，在氧化剂的作用下磁力搅拌得到产物A，将所述产物A于弱酸溶液中过滤洗涤至中性后进行干燥处理；所述导电聚合物单体为选自吡咯、苯胺和多巴胺中的至少一种，所述弱酸溶液为HF溶液。
[0020]可选地，所述氧化剂选自FeCl3、H2O2和过硫酸铵中的至少一种；所述导电聚合物的原位聚合的条件包括：在冰浴中，在零下5℃至零上5℃的温度下，以500-600r/min的搅拌速度匀速磁力搅拌10-20h。
[0021]可选地，该方法还包括：将干燥处理后的产物于还原性气体中进行第三煅烧；所述第三煅烧的条件包括：在700-800℃下煅烧1-2h；所述还原性气氛为氢氩混合气。
[0022]再一方面，本公开提供了一种负极。
[0023]再一方面，本公开提供了一种锂电池。
[0024]通过上述技术方案，本公开提供了一种硅氧复合材料，该硅氧复合材料整体为一维线状结构，导电性好，膨胀小，多孔骨架既限制了硅氧化物的大小，又可作为缓冲基质，用以缓解脱嵌锂过程中体积膨胀产生的应力。
[0025]本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
0.2g/mL；通过加入第二碱性溶液进行所述水解处理，优选所述第二碱性溶液为氨水，其中所述氨水的百分含量可以为25-28％；所述弱酸溶液为HF溶液；所述还原性气氛为氢氩混合气，其中所述氢氩混合气中的氢氩比可以为1：9-19。
[0039]本公开可以通过控制在所述线状多孔骨架前体和硅源材料的用量来控制硅氧复合材料中的线状多孔骨架与沉积在所述线状多孔骨架孔隙中的硅氧纳米颗粒的相对质量比。在本公开中，相对于1g的所述线状多孔骨架前体，所述第一碱性溶液的用量可以为15-30mL；相对于1g的所述线状多孔骨架，分散所用的水的用量可以为80-120mL，所述硅源材料的用量可以为8-15mL。
[0040]根据本公开，步骤S1中，所述第一煅烧的条件包括：所述第一煅烧在惰性气体中进行，所述第一煅烧的升温速率为2-5℃/min，所述第一煅烧的煅烧温度为600-800℃，所述第一煅烧的煅烧时间为1.5-3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅氧复合材料，其特征在于，该硅氧复合材料包括线状多孔骨架和沉积在所述线状多孔骨架孔隙中的硅氧纳米颗粒；所述线状多孔骨架孔径为5-10nm，孔隙率为20-35％；所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-8nm；优选地，所述线状多孔骨架孔径为6-8nm，孔隙率为25-30％；所述硅氧纳米颗粒的粒径为5-6nm。2.根据权利要求1所述的硅氧复合材料，其中，所述线状多孔骨架的材料为多壁碳纳米管、碳纳米纤维和过渡金属氧化物纳米棒中的至少一种；所述过渡金属氧化物纳米棒为Fe3O4纳米棒或Co3O4纳米棒。3.根据权利要求1所述的硅氧复合材料，其中，所述硅氧复合材料包括包裹在所述线状多孔骨架表面的导电层；所述导电层的厚度为50-100nm；优选为50-70nm；优选地，所述导电层为无定型碳导电层；或者优选地，所述导电层的材料为导电聚合物，所述导电聚合物为聚多巴胺、聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶和聚二乙烯噻吩中的至少一种。4.一种制备权利要求1-3任意一项所述的硅氧复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、在第一碱性溶液中加入与线状多孔骨架前体混合后进行干燥，再进行第一煅烧，得到线状多孔骨架；S2、将所述线状多孔骨架在水中分散，得到分散液，然后将所述分散液与硅源材料混匀，并对所述硅源材料进行水解处理，得到水解处理后的物料；S3、将所述水解处理后的物料进行过滤，得到滤渣，并将所述滤渣在还原性气氛中进行第二煅烧。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述线状多孔骨架前体为多壁碳纳米管、碳纳米纤维和过渡金属氧化物纳米棒；优选所述过渡金属氧化物纳米棒为Fe3O4纳米棒或Co3O4纳米棒；所述硅源材料为硅酸酯，优选所述硅酸酯为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和正硅酸丙酯；所述第一碱性溶液为碱金属氢氧化物的醇溶液，优选所述碱金属氢氧化物的醇溶液为氢氧化钾乙醇溶液和/或氢氧化钠乙醇溶液；所述第一碱性溶液的中的碱金属氢氧化物的浓度为0.1-0.2g/mL；通过加入第二碱性溶液进行所述水解处理，优选所述第二碱性溶液为氨水；所述还原性气氛为氢氩混合气。6.根据权利要求4所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：席利华，赵艳雁，张君平，
申请(专利权)人：惠州弗迪电池有限公司，
类型：发明
国别省市：