一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域。本发明专利技术提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，包括碳包硅颗粒和缠绕在所述碳包硅颗粒表面的铜纳米线；所述碳包硅颗粒包括硅和包覆在所述硅表面的碳层；所述碳层中分散有铜纳米颗粒。本发明专利技术提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料的颗粒粒径均匀，铜纳米颗粒在碳层中分散均匀性好，纯度高，碳层对于硅的包覆完整均匀，铜纳米线在碳包硅颗粒表面分布均匀，复合材料中硅内部的导电子性能优异，解决了硅的体积膨胀问题，大大提高了复合材料与集流体间的导电子性，有效提升电化学性能。有效提升电化学性能。有效提升电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电极材料
，具体涉及一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]石墨或石墨化碳作为现有商业化锂离子电池的负极材料得到了广泛的应用。目前，碳负极材料的实际应用容量已达到了350mAh/g，接近LiC6的理论值(372mAh/g)。锂离子电池负极材料未来将向着高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低成本的方向发展，因此，石墨材料将无法满足未来锂离子电池在电动汽车行业和储能领域的高比容量应用需求。
[0003]硅的理论锂容量最高可以达到4200mAh/g(对应Li
4.4
Si)，是石墨材料 (理论容量372mAh/g)的十倍多，也远高于其他金属氧化物负极材料。而常温条件下，Si嵌锂后形成的最高成分为Li15Si4(Li
3.75
Si)，其理论锂容量也高达3579mAh/g。而且硅的嵌锂电位约为<0.5V(vs.Li/Li
+
)，高于石墨负极材料(<0.2Vvs.Li/Li
+
)，所以在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性。而且，由于硅在地壳中含量丰富、低成本、无毒、且具有稳定的化学性质。因此，硅是一种理想的锂离子电池负极材料，具有很好前景。
[0004]然而，Si在嵌锂和脱锂的过程中，将会产生巨大的体积变化(例如Li
15
Si4对应的体积变化为266％)。巨大的体积变化导致的不利影响：(1)巨大的体积变化会导致活性材料与集电层之间的导电网络发生粉碎，从而导致锂离子电池循环性能的快速下降；而且锂离子嵌入后的大弹性应变也明显减缓了锂化合物形成的动力学过程；(2)Li
+
嵌入引起的变形产生应力而导致电极产生裂纹或形态变化，当Si无法承受时，由此产生的应力裂纹因脆性导致硅材料从电极上脱落，从而破坏负极导电网络，导致部分活性物质无法参与反应，从而导致含有Si材料的负极的可逆容量快速衰降；(3)当负极电位低于1V(vs.Li/Li
+
)时，电极表面的有机电解质会发生分解，分解产物在电极材料表面形成一层称为“固体电解质界面”(简称为SEI膜)。在脱嵌锂的过程中，为了防止发生进一步的副化学反应，该SEI膜需要致密和稳定，它应该是电子绝缘的但Li离子可以自由穿透。SEI膜主要由Li2CO3、各种锂烷基碳酸盐(ROOCO2Li)、LiF、Li2O和非导电聚合物组成。硅与液体电解质界面的SEI稳定性是获得长循环寿命的关键因素。然而，硅脱嵌锂产生的大体积变化使得形成一个稳定的SEI非常具有挑战性。锂离子电池硅负极在嵌锂的过程中生成的SEI膜，在脱锂过程中由于发生巨大的体积收缩而使 SEI膜遭到破坏，这将使新的Si表面重新暴露在电解液中，并再次形成SEI 膜，在锂电池充放电循环过程中，硅负极材料的这种大体积变化将使SEI膜变得越来越厚，会消耗越来越多的锂源，从而加速了硅负极塌陷和容量衰减。
[0005]采用纳米结构的硅作为锂离子电池的负极材料，可以减小上述体积的巨大变化，具有以下优点：(1)能发生在微米尺度上无法发生的电极反应； (2)由于缩短了锂离子在颗粒内的传输距离，从而显著增加了锂的嵌入和脱出的速率；(3)纳米尺度增强了粒子内部的电子输运；(4)纳米尺寸具有高的比表面积，增加了与电解质的接触面积，从而增加了锂离
子的扩散界面；(5)由于纳米尺寸效应，锂离子和电子的化学势可能被改变，从而导致电极电位的变化；(6)固溶体存在的组成范围对于纳米颗粒来说通常更宽，且纳米颗粒通常能更好地适应于Li的嵌入产生的应变。然而，上述纳米结构硅内部的导电子性差。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料的导电子性优异。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料，包括碳包硅颗粒和缠绕在所述碳包硅颗粒表面的铜纳米线；
[0009]所述碳包硅颗粒包括亚微米硅和包覆在所述亚微米硅表面的碳层；所述碳层中分散有金属纳米颗粒。
[0010]优选的，所述碳包硅颗粒的粒径为0.7～2μm。
[0011]优选的，所述碳层的厚度为100～500nm。
[0012]优选的，所述金属纳米颗粒的材质包括金属包括Cu、Ni、Mn、Zn、Co 和Fe中的一种或几种；
[0013]所述金属纳米颗粒的粒径为20～100nm；
[0014]所述金属纳米颗粒的质量为碳包硅颗粒质量的3～10％。
[0015]优选的，所述铜纳米线的直径为20～10nm，长度为1～60μm；
[0016]所述铜纳米线在铜纳米线缠绕硅碳复合材料中的含量为15～40wt％。
[0017]本专利技术提供了上述技术方案所述铜纳米线缠绕硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0018]将碳源、第一水溶性铜源、亚微米硅和水混合，依次进行水热反应和退火处理，得到碳包硅颗粒；
[0019]将所述碳包硅颗粒、第二水溶性铜源、表面活性剂、多羟基化合物和水混合，在所述碳包硅颗粒表面原位缠绕生长铜纳米线，得到铜纳米线缠绕硅碳复合材料。
[0020]优选的，所述碳源包括葡萄糖、淀粉、纤维素、多糖、环糊精、木质素和环烃中的一种或几种。
[0021]优选的，所述碳源、亚微米硅和第一水溶性铜源的质量比为10：(1～20)： (1～5)；
[0022]所述水热反应的温度为170～300℃，保温时间为2～24h。
[0023]优选的，所述碳包硅颗粒、第二水溶性铜源、表面活性剂和多羟基化合物的质量比为1：(2～10)：(45～100)：(25～80)；
[0024]所述原位缠绕生长的温度为80～150℃，保温时间为2～24h。
[0025]本专利技术提供了上述技术方案所述的铜纳米线缠绕硅碳复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的铜纳米线缠绕硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。
[0026]本专利技术提供了一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料，包括碳包硅颗粒和缠绕在所述碳包硅颗粒表面的铜纳米线；所述碳包硅颗粒包括亚微米硅和包覆在所述亚微米硅表面的碳层；所述碳层中分散有金属纳米颗粒；所述碳层中分散有金属纳米颗粒。本专利技术提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料中，金属纳米颗粒和铜纳米线构建了由内到外的导电网络，利用金
属和铜的优良导电子性大幅提升材料的导电子性。同时，利用碳层的强度大，限制硅的体积膨胀，大大提高了复合材料与集流体间的导电子性，有效提升电化学性能。而且，本专利技术提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料的颗粒尺寸粒径均匀，金属纳米颗粒在碳层中分布均匀，纯度高，包覆完整均匀，铜纳米线直径分布均匀，在碳包硅颗粒表面的缠绕明显。
[0027]本专利技术提供了上述技术方案所述铜纳米线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料，包括碳包硅颗粒和缠绕在所述碳包硅颗粒表面的铜纳米线；所述碳包硅颗粒包括亚微米硅和包覆在所述亚微米硅表面的碳层；所述碳层中分散有金属纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，其特征在于，所述碳包硅颗粒的粒径为0.7～2μm。3.根据权利要求1或3所述的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，其特征在于，所述碳层的厚度为100～500nm。4.根据权利要求1所述的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，其特征在于，所述金属纳米颗粒的材质包括金属包括Cu、Ni、Mn、Zn、Co和Fe中的一种或几种；所述金属纳米颗粒的粒径为20～100nm；所述金属纳米颗粒的质量为碳包硅颗粒质量的3～10％。5.根据权利要求1所述的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，其特征在于，所述铜纳米线的直径为20～10nm，长度为1～60μm；所述铜纳米线在铜纳米线缠绕硅碳复合材料中的含量为15～40wt％。6.权利要求1～5任一项所述铜纳米线缠绕硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：将碳源、第一水溶性...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑淞生，陈思，王兆林，张叶涵，凡正清，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：