一种多孔硅基负极材料的金属复合方法及其在锂离子电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔硅基负极材料的金属复合方法及其在锂离子电池中的应用，该方法适用于多孔负极材料。将负极材料放入金属盐溶液中搅拌一定时间，然后取出并快速干燥，随后在还原性气氛中进行热处理，使金属盐还原为纳米金属颗粒，即制备出金属复合的多孔负极材料。本发明专利技术不仅保留了负极材料的多孔，而且原位制备的硅基/金属复合电极具有优良的电化学性能；此外，本发明专利技术所用原材料价格低廉，制备工艺简单、易操作，适用于量化生产金属复合电极。适用于量化生产金属复合电极。适用于量化生产金属复合电极。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔硅基负极材料的金属复合方法及其在锂离子电池中的应用


[0001]本专利技术属于电化学储能领域，具体涉及一种多孔硅基负极材料的金属复合方法及其在锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因具有使用寿命长、比容量高以及环境友好等优点而成为了备受关注的储能系统之一，目前已在小型电子设备、航空航天等领域得到了广泛应用。商业化的锂离子电池通常使用层状过渡金属氧化物作为正极，使用石墨作为负极。虽然目前其比容量已经可以做到接近理论值，但随着新能源汽车等电动代步工具的迅猛发展，传统锂离子电池的功率、能量密度逐渐无法满足消费者的需求。晶体硅在室温下可以提供高达3579mAh g
‑1的理论嵌锂容量，远高于目前的锂离子电池负极材料中应用最为普遍的石墨(372mAh g
‑1)。此外，硅还具有储量高、环境友好、生产成本低等优点。因此，硅基负极在要求大容量、高能量密度的动力电池当中具有极佳的应用潜力，但其问题在于：当锂离子完全嵌入硅基体后，硅基体会产生严重的体积膨胀(>300％)，在多次充放电后会导致硅负极粉化，进而导致硅与集流体失去电接触，电池容量迅速衰减；硅负极在循环过程中所产生的体积效应会导致SEI膜反复破裂
‑
再生，进而导致电池的库仑效率降低、离子传输电阻增大。
[0003]硅基负极的低导电性也是一个待解决的问题。目前的主要改性方式是与具有高导电性的碳类材料、金属材料等进行复合以在一定程度上提高硅基材料的导电性。将氧化亚硅材料与导电性高的金属或碳材料复合是当下研究较多的改性方法，利用高导电相提供的良好导电网络以改善硅基负极材料的导电能力。对于形成硅基负极/金属复合材料的研究中，可进行复合的金属有Sn、Ni和Cu等。硅基负极/金属复合材料的制备大多采用高能球磨的方法，高能球磨过程中会破坏硅基材料的整体结构，这个方法并不适用于具有孔洞结构的负极材料。高能球磨的方法过程中需惰性气体的存在以达到保护的作用。这样会存在破坏原料结构、损耗能量以及操作时的安全性等问题，同时得到的复合材料中金属所占的比例较大，将使硅基负极/金属复合材料实际比容量低于理论比容量。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决多孔硅基负极的导电性问题，提供了一种成本低廉、制备工艺简单、适用于量化生产的多孔硅基负极材料的金属复合方法及其在锂离子电池中的应用。本专利技术硅基负极/金属复合材料具有优异的电化学性能。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术多孔硅基负极材料的金属复合方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：将高孔隙率硅基负极材料在金属盐溶液中搅拌10
‑
60分钟，然后取出并在80
‑
150℃下快速干燥，在其表面和内部均负载金属盐纳米颗粒；
[0008]步骤2：将步骤1所得高孔隙率硅基负极材料在还原性气氛中升温至400
‑
900℃，保
温90
‑
120分钟，通过原位催化得到金属复合的多孔负极材料。
[0009]优选地，步骤1中，所述高孔隙率硅基负极材料为多孔硅、多孔硅氧复合材料
[1]中的一种，所述高孔隙率硅基负极材料的比表面积为80～180m2/g。
[0010]优选地，步骤1中，所述金属盐溶液为铜盐、铁盐、镍盐、钛盐、锰盐、钴盐、铝盐溶液中的一种或几种的混合。所述金属盐溶液的质量浓度为0.01
‑
20％。
[0011]进一步地，所述金属盐溶液为铜盐溶液，质量浓度为0.2
‑
1％，最优为0.2
‑
0.6％。
[0012]优选地，步骤2中，所述还原性气氛为氢气、氩氢混合气中的一种。
[0013]进一步地，步骤2中，反应温度为550
‑
600℃。
[0014]本方法改变了纳米金属的负载流程，金属粒子原位生长在高孔隙率硅基基体的内外部，直接形成金属负载均匀的硅基/金属复合材料。
[0015]本专利技术制备的金属复合的多孔负极材料的应用，是以所述金属复合的硅基多孔负极材料作为锂离子电池负极材料使用。
[0016]本专利技术制备的硅基/金属复合材料，最佳反应温度为550℃，此外，随着反应前驱体盐溶液的浓度升高，硅基基体上金属粒子的负载量逐渐增加。通过电化学测试发现，低浓度金属盐改性的多孔硅基负极具有最高的比容量，以及最佳具有最高的电化学循环稳定性。是在锂离子电池中作为工作电极使用，具有优异的电化学性能。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0018]1、本专利技术以金属盐溶液作为金属源，采用具有高孔隙率硅基基体作为硅源，通过搅拌即可实现金属粒子的均匀负载，改变了传统的金属负载流程。
[0019]2、本专利技术所用高孔隙率硅基基体可以与电解液实现充分浸润，从而有效提高硅基/金属复合材料电极的电化学性能。
[0020]3、本专利技术所用高孔隙率硅基基体中是通过氧化亚硅包覆纳米硅，从而有效的提高了该材料的容量，其多孔结构也有效的缓冲了硅基负极材料在充放电过程中的体积膨胀，有效的提高了其循环寿命。
[0021]4、本专利技术所用原材料价格低廉，制备工艺简单、易操作，适用于量化生产硅基/金属复合材料。
[0022][1]FengHong,RuxuanZhou,ChenyuGao,YishaoLiu,ZhenjieSun,YangJiang,Fabrication ofporous SiOx/nanoSi@C compositeswithhomogeneous silicondistributionforhigh
‑
performanceLi
‑
ionbatteryanodes[J].Journal ofAlloys andCompounds,2023,947:169511.
附图说明
[0023]图1为实施例1硅源的X射线衍射谱图。
[0024]图2为实施例1制备的硅基/金属复合材料电极的的X射线衍射谱图。
[0025]图3为实施例1制备的硅基/金属复合材料电极的10000倍扫描电子显微镜图。
[0026]图4为实施例2制备的硅基/金属复合材料电极在1A/g倍率下的循环性能曲线。
[0027]图5为实施例3制备的硅基/金属复合材料电极在1A/g倍率下的循环性能曲线。
[0028]图6为实施例3制备的硅基/金属复合材料电极的的X射线衍射谱图。
具体实施方式
[0029]下面结合实施例对本专利技术作进一步阐述，实例仅限于说明本专利技术的实施内容不限于本专利技术。
[0030]实施例中使用的高孔隙率硅基基体是通过如下方法制备得到：
[0031]首先，取一定质量的白炭黑和氯化钠(按质量比1：1)放入研钵研磨，将氧化物和除热剂研磨均匀，将研磨后的混合物粉末平铺在坩埚中。
[0032]随后取一定量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔硅基负极材料的金属复合方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：将高孔隙率硅基负极材料在金属盐溶液中搅拌10
‑
60分钟，然后取出并在80
‑
150℃下干燥，在其表面和内部均负载金属盐纳米颗粒；步骤2：将步骤1所得高孔隙率硅基负极材料在还原性气氛中升温至400
‑
900℃，保温90
‑
120分钟，通过原位催化得到金属复合的多孔负极材料。2.根据权利要求1所述的多孔硅基负极材料的金属复合方法，其特征在于：步骤1中，所述高孔隙率硅基负极材料为多孔硅、多孔硅氧复合材料中的一种。3.根据权利要求2所述的多孔硅基负极材料的金属复合方法，其特征在于：所述高孔隙率硅基负极材料的比表面积为80～180m2/g。4.根据权利要求1所述的多孔硅基负极材料的金属复合方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋阳，周儒轩，汤召宇，童国庆，何家兴，刘逸少，洪峰，孙振杰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：