[发明专利]一种硅/碳纳米线负载二氧化钛锂电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅/碳纳米线负载二氧化钛锂电池负极材料的制备方法，属于电池材料技术领域。

背景技术

由于各种便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用,对于能量高、循环寿命长的锂离子电池的需求十分迫切。硅作为锂离子电池负极材料，其理论比容量可以达到4200mAh/g。但是硅材料在高程度脱嵌锂的条件下，存在着严重的体积效应，容易导致材料的结构崩塌和活性物质的脱落，从而使得电极的循环稳定性大大下降。为了避免硅的上述不足，使用另一种电位不完全相同的材料作为其缓冲骨架成为硅系电池材料的研究方向。

碳质负极材料具有很好的稳定性及导电性，并且与硅的嵌锂电位较为接近，是作为硅颗粒分散的非常好的基体材料。制备硅/碳复合材料的方法有机械球磨法、高温热解法、气相沉积法和喷雾热解法，其中高温分解法较为容易生成核壳结构，并且硅颗粒与碳的结合紧密，结构均匀。可以很高程度提高硅材料的结构稳定性。但是，碳质材料也存在很严重的缺陷，那就是碳电位过于接近金属锂，在充放电过程中容易发生锂枝晶的析出，另外其脱嵌锂造成的体积变化较大，使其循环性能下降。相比之下，锐钛矿型二氧化钛的八面体结构使其充放电体积变化小，并且相对于锂的电压在1.7V，不容易形成锂金属支晶。因此在碳质材料中负载二氧化钛，可以有效提高材料的安全性以及稳定性能。

本专利提供了一种静电纺丝制备硅/碳纳米线负载二氧化钛锂离子电池负极材料的方法。该方法以有机高分子聚合物作为碳源，将纳米硅粉以及易水解钛源与碳源混合在溶剂中，形成静电纺丝溶液，经过电纺后进行加热分解，最终生成硅/碳负载二氧化钛负极材料。

经专利检索，有国内多篇专利（CN102157731A,CN102185128A, CN102394288A等）采用热解法制备硅/碳负极材料，与本专利方法不同。另外一篇专利（CN102157732）使用钛酸纳米管与葡萄糖合成二氧化钛/碳复合纳米管。与本专利试验方法不同。另外两篇专利（CN101937985A，CN102683710A）分别使用石墨烯和碳纳米纤维与二氧化钛处理生成碳与二氧化钛复合材料，与本专利方法不同。

发明内容

本发明的目的是提供了一种硅/碳纳米线负载二氧化钛锂电池负极材料的制备方法，其制备的锂离子电池负极材料形貌一致，并且具有较高的比容量和循环性能，能够同时发挥出硅/碳纳米材料与二氧化钛作为锂离子电池负极材料的优势。

本发明的技术方案是这样实现的：一种硅/碳纳米线负载二氧化钛锂电池负极材料的制备方法，其特征在于具体的合成方法如下：

(1) 静电纺丝过程：

将一定质量的有机高分子聚合物与一定质量的溶剂相混合，充分搅拌溶解，之后在溶液中滴加一定质量的水解抑制剂，搅拌均匀后加入钛源和纳米硅粉继续搅拌，最终得到静电纺丝混合溶液；将静电纺丝混合溶液进行静电纺丝，得到原丝；

(2) 热处理步骤：

在一定气氛下，将静电纺丝原丝加热到特定温度，保温一段时间后冷却，得到预处理材料。之后，将预处理材料再次加热到某一特定温度，保温一段时间后冷却至室温，最后经过研磨即可得到硅/碳纳米线复合二氧化钛负极材料；

静电纺丝过程中，有机高分子聚合物为聚四氟乙烯、聚丙烯晴、聚环氧乙烷；溶剂可以选用乙醇、N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的混合溶剂、水；水解抑制剂可以选用冰醋酸、乙酰丙酮、盐酸；钛源可以选择钛酸正丁酯、钛酸四异丙脂、四氯化钛；高分子聚合物在溶剂中的浓度为8wt%~12wt%；硅粉与聚合物质量比为1:8~1:6；钛源与高分子聚合物质量比为1:5~1:2；钛源与水解抑制剂的摩尔比为1:5~1:2。

热处理步骤中，首次预处理可以在O₂气氛下或者空气氛下进行，加热温度在250~450℃之间，保温时间为30~120分钟之间；第二次碳化加热是在氩气或者氮气氛下进行，加热温度在500~650℃，加热时间在4~8小时之间。

本发明的积极效果是具有较高的比容量和循环性能，能够同时发挥出硅/碳纳米材料与二氧化钛作为锂离子电池负极材料的优势。

附图说明

图1是本发明实例1中硅/碳纳米纤维负载二氧化钛的扫描电子显微镜图谱。

图2是本发明实例2中硅/碳纳米纤维负载二氧化钛的能谱测试曲线。

图3是本发明实例3中硅/碳纳米纤维负载二氧化钛的扫描电子显微镜图谱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1