[发明专利]一种具备三维导电网络结构的硅/介孔碳复合材料

说明书

本发明公开了一种具备三维导电网络结构的硅/介孔碳复合材料，该复合材料制导电性好，且具有弹性，介孔碳具有高比表面积，稳定机械性能及均一有序的孔道结构，将碳纳米管与介孔碳构成新型的网络结构，能有效的缓冲硅在充放电时体积变化产生的应力，三维立体网络为锂离子和电子的快速传输提供了通道，作为锂电池的负极材料，表现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种具备三维导电网络结构的硅/介孔碳复合材料，该材料用溶剂挥发诱导组合的方法，通过热聚合和高温退火处理之后得到，属于新能源领域。

背景技术

锂离子电池具有储能密度大、开路电压高、自放电率低等优点，被广泛用于便携式电子设备、航天航空设备以及电动汽车等设备中。电子设备和电动汽车的快速发展对锂离子电池的容量和能量密度提出了越来越高的要求。

目前，在商业化的锂离子电池体系中，石墨类负极材料由于受到其理论容量(372mAh g^-1)的限制，研究者们开始寻找新的负极材料来替代石墨负极。硅材料具有高达4200mAh g^-1的理论容量，其嵌/脱锂电位适中，在地壳中储量丰富，有望成为新一代锂电池负极材料的理想选择。但是，硅负极在脱嵌锂的过程中伴随着体积膨胀（高达300%），导致硅颗粒破碎、粉化，使材料失去活性，最后导致容量的损失。由于这种体积效应，硅在电解液中难以形成稳定的表面固体电解质(Solid Electrolyte Interface，SEI)膜，电极结构被破坏，新暴露出的硅表面会不断形成新SEI膜，导致充放电效率降低，加速容量衰减。此外，硅自身的电导率不高，倍率性能差，严重限制硅在锂电池负极材料中的应用。

为解决硅负极材料的膨胀问题，近年来，研究人员进行了大量的探索研究。一方面：将硅纳米尺度化，如硅纳米线、双壁硅纳米管、硅纳米颗粒和硅球，纳米硅材料具有比表面积大、离子扩散路径短、蠕动性强及可塑性高等特点，能够在一定程度上缓解其体积效应，提高材料的循环稳定性；另一方面：将硅与机械性能稳定的碳材料复合，如硅/单壁碳管复合纸、含硅的石墨泡沫结构，和硅与空心碳及多孔碳的复合等。向硅材料中引入具有优异机械性能和导电性能的碳材料，增加了复合材料的整体导电性，同时缓解硅在充放电过程中因为体积膨胀所引起的应力。

综合来看，将硅纳米化，制备纳米结构的硅/碳复合材料，是提高锂电池的负极材料电化学性能的有效方法。碳纳米管作为一种新型的材料，导电性好，且具有弹性，用碳纳米管单独作为负极材料，在充放电过程中，管道结构稳定，不会坍塌，但是却存在着首次不可逆容量高的问题。介孔碳有具有高比表面积，稳定机械性能及均一有序的孔道结构，将碳纳米管与介孔碳构成新型的网络结构，能有效的控制硅体积变化产生的应力，并且由二者构成的三维立体网络为锂离子和电子的快速传输提供了通道。

本发明用溶剂挥发诱导自组装合成方法，将纳米硅粉和碳纳米管加入含有模版剂的有机碳源溶液中，待溶剂挥发后，热聚合并进行退火处理，得到硅/碳纳米管/介孔碳复合材料，对该材料的形貌、结构和电池容量进行了测试，并研究硅含量对其电化学性能的影响。此方法成本低且工艺简单，易于实现工业放大。

发明内容

本发明的目的是针对目前锂离子电池的容量低，寿命短的问题，在现有的硅基碳包覆材料的问题上，提供一种能有效延长硅碳负极材料的循环寿命，提高可逆容量的保留，改善硅碳负极材料的循环性能的锂离子电池负极材料，该复合材料具有有序介孔结构；复合材料中的硅/碳质量比为（0.1-0.9）：1；纳米硅粉为Si或者SiO_x(0<x<2)中的一种或几种；介孔的孔径为2-30nm，比表面积为200-3000m² g^-1，孔容为0.2-3.0cm³ g^-1。

上述复合材料的制备方法为：