[发明专利]一种碳点基二氧化硅复合材料及其在锂电池电极中的应用

说明书

本发明公开了一种碳点基二氧化硅复合材料，其包含有纳米级碳点和二氧化硅纳米微球，其中二氧化硅纳米微球构成一个网络结构，在网络中间穿插有碳点，所述二氧化硅纳米微球的平均粒径在10nm至20nm之间，碳点的平均粒径在2nm至6nm之间，本发明还公开了该碳点基二氧化硅复合材料在在制备锂电池中的应用。本发明公开的一种碳点基二氧化硅复合材料及其在锂电池电极中的应用，属于锂电池制备领域。本发明的碳点基二氧化硅复合材料可以减少二氧化硅在电池中的副反应，使这种材料具有更高的比容量以及更好的循环稳定性。

【技术领域】

本发明涉及一种碳点基二氧化硅复合材料，属于二氧化硅复合材料领域。本发明涉及一种碳点基二氧化硅复合材料在制备锂电池中的应用，属于锂电池领域。

【背景技术】

当今世界范围内最大的挑战是清洁的、可再生的能源替代不可再生能源。由可再生能源，例如风能、潮汐能、太阳能，得到的电能，是未来我们要利用的主要能源。这些电能的存储有很多的方式，可以转化为热能存储，例如蓄热器；可以转化为势能存储，例如水力发电；可以转化为化学能存储，例如蓄电池。在这些储能方式中，最有效的就是电池存储。目前来说，锂离子电池是使用最多，使用范围最广的电池。

在20世纪后期，随着锂电池问世，使锂金属的优点逐渐展现在人们面前。锂电池可以承受大的放电倍率和比较高的比容量，使这种电池很快成为计算机、钟表、手机、汽车等不可缺少能源。但是锂电池有明显的缺点，锂以树枝状晶析出并长大，在其充放电过程中，极其大的体积变化导致合金电极容量衰减迅速循环稳定性差，易引发安全问题。为了避免这种问题，有两种解决方式：改性负极材料，改进电解液配方。其中，第一种方式导致了锂离子电池的出现，由于锂离子不是金属单质，从根本上解决了树枝结晶导致的安全问题。但是这种方式会导致负极的电势升高，而正极材料的电势的增加有限。因此有很多的学者开始探索新的、合适的负极材料。不论是过渡金属氧化物电池，还是过渡金属硫化物电池，在过去的十年里全球锂离子电池研究学者的探究下有了比较大的进展。但是对非金属锂电池电极的研究还不是很多，特别是非金属电极中二氧化硅的比容量非常大，但其在电池的循环过程中对电池的结构破坏比较大，电池的循环稳定性太差。目前纳米级的二氧化硅负极材料，例如二氧化硅纳米线、纳米立方，能够极大增加电池的稳定性。纯的纳米二氧化硅作为电池负极材料时，容易发生物理团聚、物理化学腐蚀以及其他的副反应，传统方法制备的纳米二氧化硅存在分散难的问题。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种碳点基二氧化硅复合材料，该碳点基二氧化硅复合材料以二氧化硅为支撑材料，二氧化硅纳米微球构成网络结构，碳点穿插在其中，这样的结构好处在于减少了二氧化硅在电池中的副反应，使这种材料具有更高的比容量以及更好的循环稳定性。

本发明还提供了一种碳点基二氧化硅复合材料的制备方法，该制备方法采用两步法合成，即水热法和煅烧法。通过在室温下合成带有碳链基团的二氧化硅纳米微球，然后在400℃下煅烧，碳链缩合成碳点，最终得到碳点基二氧化硅复合材料。

本发明还提供了一种碳点基二氧化硅复合材料在制备锂电池中的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳点基二氧化硅复合材料，其特征在于：包含有纳米级碳点和二氧化硅纳米微球，其中二氧化硅纳米微球构成一个网络结构，在网络中间穿插有碳点，所述二氧化硅纳米微球的平均粒径在10nm至20nm之间，碳点的平均粒径在2nm至6nm之间。

其中，所述二氧化硅纳米微球是由去离子水、氨水、3-氨丙基-三甲氧基硅烷以及正硅酸四乙酯在无水乙醇环境下制得。

进一步地，所述二氧化硅纳米微球经高温煅烧后可制得碳点基二氧化硅复合材料。其中，高温煅烧时间为2小时，温度为400℃。

去离子水、氨水、3-氨丙基-三甲氧基硅烷、正硅酸四乙酯及无水乙醇的添加量比为6～7：2：0.1～1.2：2～8：50。该混合反应在室温环境下进行，反应时间为10小时。