CN107195896B - 一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法，其特征在于：以导电金属纳米颗粒为载体，有机硅水解沉积二氧化硅，再与金属、低熔点盐混合、热还原，包覆聚合物，洗涤烘干，获得硅负极材料；导电金属纳米颗粒为纳米铜、纳米银、纳米铁、纳米铋、纳米锡、纳米镍、纳米钴、纳米铟、纳米钛的一种或多种；还原金属为锂、钾、钙、铷、钠、锶、钡、镧以及上述金属的合金中的一种或多种；低熔点盐为镓、锗、锡、铝、镁的氯盐、溴盐和氟盐中的一种或多种；聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及上述聚合物的衍生物中的一种或多种；硅与导电金属的摩尔比(1～5)∶1；硅：还原金属：低熔点盐的摩尔比为1∶(2～5)∶(1～20)；硅与聚合物前驱体的摩尔比为(5～30)∶1。该负极材料具有很好的电化学性能，在锂离子电池领域具有很好的应用前景。

Description

一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备 方法

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法。

背景技术

单质硅具有储锂能量密度高(理论容量高达3580mA h/g)，储量丰富等优点，是非常有应用前景的锂离子电池负极材料。但硅存在单质导电性差、脱嵌锂过程中体积变化大等缺陷，导致硅因电化学性能差而无法广泛应用。目前，科研人员采用纳米材料、多孔结构和引入高电导率的碳等方法缓解硅在充放电过程中的缓解体积变化、增加硅材料的导电性，从而提高硅材料的循环性能。但纳米化和多孔结构导致了材料体积比能量密度降低，且其制备方法普遍复杂，成本高，限制了其商业化应用。

SiOx材料是一种性能较好的硅负极材料，也是目前应用最广泛的一种硅材料。理论研究发现，Li嵌入到SiOx中，会形成多种化合物，这些锂硅化合物成为Si负极体积膨胀的缓冲带，抑制硅负极的体积膨胀，从而提高了SiOx材料的循环性能。专利1(CN105789577A，一种锂离子电池用硅负极材料的制备方法及该硅负极材料)以氧化亚硅为原料、羟基化、混合石墨、高温煅烧获得硅负极材料，有效提高了硅负极材料的电化学性能。专利2(CN105406050A，一种符合硅负极材料、制备方法和用途)以纳米硅为原料，通过高温包覆硅氧化物和金属复合层、再高温包覆导电碳层；该硅负极材料容量高于1500mAh/g，300次循环后容量保持在90％以上。

显然，提高SiOx的电化学容量和循环性能是实现SiOx电极材料商业化应用的关键，目前的研究也取得喜人的成果。但高温煅烧能耗大、且产生大量废气污染环境，无形中增加了SiOx电极材料的制备成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法，克服现有制备技术的缺陷，提高硅负极材料的电化学性能。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法，其特征在于：以导电金属纳米颗粒为载体，有机硅水解沉积二氧化硅，再与金属、低熔点盐混合、热还原，包覆聚合物，洗涤烘干，获得硅负极材料；导电金属纳米颗粒为纳米铜、纳米银、纳米铁、纳米铋、纳米锡、纳米镍、纳米钴、纳米铟、纳米钛的一种或多种；还原金属为锂、钾、钙、铷、钠、锶、钡、镧以及上述金属的合金中的一种或多种；低熔点盐为镓、锗、锡、铝、镁的氯盐、溴盐和氟盐中的一种或多种；聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及上述聚合物的衍生物中的一种或多种；硅与导电金属的摩尔比(1～5)∶1；硅∶还原金属∶低熔点盐的摩尔比为1∶(2～5)∶(1～20)；硅与聚合物的摩尔比为(5～20)∶1；一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法包括：

1)称量一定质量的导电纳米颗粒分散在有机溶剂水溶液中，加入表面活性剂，超声1～20h；

其中，有机溶剂为C1～C8的醛类、羧酸类、醇类及上述有机物衍生物的一种或几种；有机物与水的体积比为(0.1～10)∶1；

2)将有机硅的乙醇溶液滴入步骤1)的产物，搅拌1～40h；温度控制在10～100℃；

其中，有机硅为硅酸酯、硅烷、氯化硅、溴化硅及上述有机物衍生物的一种或多种；

3)将步骤2)的产物分离、烘干，与金属和低熔点盐混合，放入容器、抽真空、封闭、在200～500℃放置2～40h；

4)将步骤3)的产物投入盐酸溶液，浸渍5～60h；分离、去离子水洗涤、烘干；

5)将步骤4)的产物投入酒***溶液，加入一定量的聚合前驱体，匀速搅拌2～5h；然后加入引发剂，搅拌、静置、过滤、真空烘干，获得硅负极材料。

与其它硅负极材料相比，本发明专利具有如下优点：

1)本发明硅负极材料工艺简单、操作方便，有利于工业化生产。

2)本发明硅负极材料制备条件温和，能耗低。

3)本发明采用金属纳米颗粒为载体沉积硅氧化物，提高了硅的导电性，网络状导电聚合物为硅负极膨胀提供足够的空间，所以本发明制备的硅负极材料具有很好的电化学性能，50mA电流，材料的充放电容量大于700mAh/g。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明如下：

实施例1

一种硅负极材料的成分设计：

1)纳米铜，0.01mol；正硅酸乙酯，0.02mol；金属锂，0.04mol；氯化铝，0.04mol；苯胺，0.002mol；

2)纳米银，0.01mol；四氯化硅，0.02mol；金属镁，0.04mol；氯化锂，0.06mol；吡咯，0.003mol；

3)纳米锡，0.01mol；二氯硅烷，0.02mol；金属铝，0.04mol；氟化钙，0.06mol；吡咯，0.003mol；

一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法：

1)称量一定质量的纳米金属颗粒分散在乙醇水溶液中，加入表面活性剂CTAB，超声5h；乙醇与水的体积比为9∶1；

2)将有机硅的乙醇溶液滴入步骤1)的产物，搅拌10h；温度控制在40℃；

3)将步骤2)的产物分离、烘干，与金属和低熔点盐混合，放入容器、抽真空、封闭、在250℃放置15h；

4)将步骤3)的产物投入盐酸溶液，浸渍5h；分离、去离子水洗涤、烘干，获得SiOx/纳米金属负极材料；

5)将步骤4)的产物投入酒***溶液，加入一定量的聚合前驱体，匀速搅拌2～5h；然后加入引发剂，搅拌、静置、过滤、真空烘干，获得硅负极材料。

该硅基材料颗粒尺寸细小，呈现多孔结构；用于锂离子电池负极时；100次循环后，50mA放电容量大于700mAh/g.

实施例2

一种硅负极材料的成分设计：

4)纳米铜，0.01mol；四氯化硅，0.01mol；金属锂，0.02mol；氯化铝，0.04mol；苯胺，0.001mol；

5)纳米铜，0.01mol；四氯化硅，0.03mol；金属镁，0.07mol；氯化锂，0.06mol；吡咯，0.002mol；

6)纳米铜，0.01mol；四氯化硅，0.04mol；金属铝，0.12mol；溴化镁，0.06mol；苯胺，0.0015mol；

一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法：

1)称量一定质量的纳米金属颗粒分散在乙醇水溶液中，加入表面活性剂CTAB，超声10h；乙醇与水的体积比为5∶1；

2)将有机硅的乙醇溶液滴入步骤1)的产物，搅拌5h；温度控制在60℃；

3)将步骤2)的产物分离、烘干，与金属和低熔点盐混合，放入容器、抽真空、封闭、在300℃放置5h；

4)将步骤3)的产物投入盐酸溶液，浸渍10h；分离、去离子水洗涤、烘干，获得SiOx/纳米金属负极材料；

5)将步骤4)的产物投入酒***溶液，加入一定量的聚合前驱体，匀速搅拌2～5h；然后加入引发剂，搅拌、静置、过滤、真空烘干，获得硅负极材料。

该硅基材料颗粒尺寸细小，呈现多孔结构；用于锂离子电池负极时；100次循环后，50mA放电容量大于700mAh/g.

实施例3

同实施例1操作.

一种硅负极材料的成分设计：

7)纳米铁，0.01mol；四氯化硅，0.01mol；金属锂，0.02mol；氯化铝，0.04mol；苯胺，0.001mol；

8)纳米钛，0.01mol；四氯化硅，0.03mol；金属镁，0.07mol；氯化锂，0.06mol；吡咯，0.001mol；

9)纳米铜，0.01mol；四氯化硅，0.04mol；金属铷，0.12mol；溴化镁，0.06mol；聚对氯苯胺，0.001mol；

10)纳米镍，0.01mol；四氯化硅，0.01mol；金属锂，0.02mol；氯化铝，0.04mol；聚邻甲基苯胺，0.001mol；

11)纳米钴，0.01mol；四氯化硅，0.03mol；金属镁，0.07mol；氯化锂，0.06mol；聚间三氟甲基苯胺，0.002mol；

12)纳米铟，0.01mol；四氯化硅，0.04mol；金属镧，0.12mol；溴化镁，0.06mol；聚(1-亚甲基-2-甲基萘)-N-吡咯，0.0015mol；

13)纳米铋，0.01mol；四氯化硅，0.04mol；金属铷，0.12mol；溴化镁，0.06mol；聚4-(N-乙基-1，8-萘酰亚胺)N-吡咯，

该硅基材料颗粒尺寸细小，呈现多孔结构；用于锂离子电池负极时；100次循环后，50mA放电容量大于700mAh/g.

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法，其特征在于：以导电金属纳米颗粒为载体，有机硅水解沉积二氧化硅，再与金属、低熔点盐混合、热还原，包覆聚合物，洗涤烘干，获得硅负极材料；导电金属纳米颗粒为纳米铜、纳米银、纳米铁、纳米铋、纳米锡、纳米镍、纳米钴、纳米铟、纳米钛的一种或多种；还原金属为锶、钡、镧以及上述金属的合金中的一种或多种；低熔点盐为镓、锗、锡、铝、镁的溴盐和氟盐中的一种或多种；聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及上述聚合物的衍生物中的一种或多种；硅与导电金属的摩尔比(1～5)∶1；硅∶还原金属∶低熔点盐的摩尔比为1∶(2～5)∶(1～20)；硅与聚合物前驱体的摩尔比为(5～30)∶1；一种以导电金属纳米颗粒为载体低温合成硅负极材料的制备方法包括：

1)称量一定质量的导电纳米颗粒分散在有机溶剂水溶液中，加入表面活性剂，超声1～20h；其中，有机溶剂为C1～C8的醛类、羧酸类、醇类及上述有机物衍生物的一种或几种；有机物与水的体积比为(0.1～10)∶1；

2)将有机硅的乙醇溶液滴入步骤1)的产物，搅拌1～40h；温度控制在10～100℃；

其中，有机硅为硅酸酯、硅烷及上述有机硅衍生物的一种或多种；

3)将步骤2)的产物分离、烘干，与金属和低熔点盐混合，放入容器、抽真空、封闭、在200～500℃放置2～40h；

4)将步骤3)的产物投入盐酸溶液，浸渍5～60h；分离、去离子水洗涤、烘干；

5)将步骤4)的产物投入酒***溶液，加入一定量的聚合前驱体，匀速搅拌2～5h；然后加入引发剂，搅拌、静置、过滤、真空烘干，获得硅负极材料。