[发明专利]化学气相法一步合成氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明是关于纳米复合材料的，特别涉及一种化学气相法一步合成氧化硅/碳纳米管（SiO₂/CNTs）膜状锂离子电池负极材料。

背景技术

锂离子电池因其具有工作电压高、循环寿命长、对环境友好等优点，在便携电子设备、电动汽车等方面得到了广泛的应用，也得到了人们越来越多的关注。目前最常用的锂离子电池负极材料为石墨，但石墨负极材料理论比容量较低（372mAh/g），限制了其在高能量密度领域的应用。因此，一些理论容量较高的负极材料如Sn基、Si基材料也逐渐被开发和重视。Sn基、Si基材料作为锂电负极时，充放电过程中因Li⁺的嵌入-脱嵌会产生很大的体积变化（约300%），导致电极材料的粉碎和坍塌，最终严重降低电池的性能。而SiO₂作为锂电负极时，充放电过程中生成的Li₂O和Li₄SiO₄会起到缓冲作用，缓解体积变化。晶体SiO₂结构和化学性质非常稳定，通常对锂离子表现为惰性。据报道，无定形的SiO₂可以作为锂离子电池负极材料。碳纳米管具有良好的机械性能、优异的导电性能以及高的比表面积，制备SiO₂/CNTs复合材料可以提高SiO₂作为锂电负极材料的导电性能，缓冲嵌锂-脱锂过程中巨大的体积变化，从而提高SiO₂作为负极材料时电池的锂电性能。此外，制备纳米SiO₂可以缩短Li⁺和电子的转移距离，从而改善电池的性能。

目前，制备SiO₂/CNTs的方法主要是溶液法，大多采用SiO₂粉体和碳源或CNTs和硅酸乙酯为主要原料。液相法制备SiO₂/CNTs大多经过两步或多步操作，过程比较繁琐，且产物中的CNTs难于分散均匀。

发明内容

本发明的目的是针对现今技术的不足，提供一种简单快捷地合成SiO₂/CNTs锂电负极材料的方法。本发明采用含硅有机物和含碳有机物分别作为硅源和碳源，化学气相法一步合成SiO₂/CNTs膜状锂电负极材料。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种化学气相一步合成氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料的方法，具体步骤如下：

（1）配置前驱体混合溶液

按原料组分及其摩尔百分比含量为1～16.5%硅源、82～98.7%碳源、0.2～1.0%催化剂、0.1～0.5%促进剂，称取硅源、碳源、催化剂和促进剂，超声混合均匀，得到前驱体溶液；

所述硅源为硅酸乙酯、硅烷偶联剂和二甲基硅油中的任意一种或多种的混合物；

所述碳源为含碳有机物乙醇、丙酮、环己烷、乙醚、苯和正己烷中的任意一种或多种的混合物；

所述催化剂为二茂铁、草酸铁、醋酸镍、醋酸钴和钼酸铵中的一种或多种的混合物；

所述促进剂为噻吩和水中的一种或两种的混合物；

（2）高温合成反应

将管式炉在惰性气氛下升温到600～1200℃，停止通惰性气体，输入氢气，调节氢气流量为400～1000sccm，将步骤（1）中得到的混合前驱体溶液以2～15ml/h的速率注入管式炉中，经过高温反应制得氧化硅/碳纳米管膜状锂离子电池负极材料；

惰性气体为氮气、氩气的其中一种或两种的混合气。

所述步骤（2）中优选的合成温度范围是1000～1200℃。

所述步骤（2）中优选的混合前驱体溶液的注入速率是6～12ml/h。

所述步骤（2）中优选的氢气流量是500～800sccm。

本发明的有益效果，是以含硅和含碳有机物为主要原料，气相法一步合成微观结构均匀的SiO₂/CNTs膜状锂离子电池负极材料。本方法操作过程简单方便，产物中的CNTs互相交织成网状，且得到了纳米尺寸的SiO₂。性能测试结果显示，产物具有较高的比容量和良好的循环性能。

附图说明

图1为实施例1制备的SiO₂/CNTs膜X射线衍射谱图；

图2为实施例1制备的SiO₂/CNTs膜的透射显微镜照片；

图3为实施例1制备的SiO₂/CNTs膜中CNTs的高倍透射显微镜照片；