[发明专利]无模板制备硅纳米管的熔盐电化学方法

说明书

本发明涉及一种无模板制备硅纳米管的熔盐电化学方法，包括：设置阴极和阳极并置于熔盐电解质中，在阴极电解硅前驱物获得硅纳米管，其中，在电解硅前驱物时，添加与硅形成低熔点合金的金属或相应金属的前驱物。本发明在熔盐电解中加入金属及金属前驱物共还原生成硅纳米管，该硅纳米管形貌可有效缓解其作为电池材料在充放电过程中的体积变化，并显著提高锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及电化学材料制备的技术领域，具体涉及一种无模板制备硅纳米管的熔盐电化学方法。

背景技术

随着现代社会的发展，人类对能源的需要与日俱增，传统化石能源带来很多环境问题，且不能满足人类的需求，因此亟待寻找新的可替代的绿色能源。锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、绿色环保等诸多优点，在商业电子耗材和电动汽车领域有着重要应用。电极材料是电池的核心，决定电池的性能。而传统的碳负材料理论比容量低，难以满足较大功率器件对高能量密度电池材料的需求。

硅的理论比容量是碳材料的10倍，来源丰富，价格低廉，被认为是最有潜力的负极材料。但充放电过程中，锂离子的嵌入或脱出引起的体积变化使得电极材料出现裂纹甚至粉化，导致电池性能衰减、循环性能下降等问题。因此，研究者们致力于寻找空心结构的纳米材料来减缓不可逆的体积变化，同时，纳米线或纳米管等微观结构可以提供较短的锂离子扩散路径。并且，给硅纳米管中加入金属可以增加其导电性，益于电池性能的提升。目前，硅纳米管的制备方法主要为化学气相沉积法(典型文献：Adv.Mater.14(2014)1219-1221；Nanotechnology 21(2010)055603；J.Mater.Chem.A3(2015)11117；Adv.Mater.2002 14(17)1219-1221)或模板法(典型文献：NATURENANOTECHNOLOGY.7(2012)309-314；J.Am.Chem.Soc.131(2009)3679-3689；Angew.Chem.Int.Ed.43(2004)63-66；Nano Lett.9(2009)1511-1516)以及刻蚀法(典型文献：IEEE TRANSACTIONS ONNANOTECHNOLOGY.16(2017)130-134)等方法。但由于步骤繁多工艺复杂等原因不利于商业大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无模板制备硅纳米管的熔盐电化学方法，该方法制得的硅纳米管能有效缓解其作为电池材料在充放电过程中的体积变化，并显著提高锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种无模板制备硅纳米管的熔盐电化学方法，包括：

设置阴极和阳极并置于熔盐电解质中，在阴极电解硅前驱物获得硅纳米管，其中，在电解硅前驱物时，添加与硅形成低熔点合金的金属或相应金属的前驱物；

上述熔盐电解质为LiCl，NaCl，KCl、CaCl₂，MgCl₂的一元或多元混盐；

金属前驱物为相应金属对应的氯化盐、硝酸盐、碳酸盐或氯酸盐中的一种或多种。

进一步地，硅前驱物直接作为固态阴极或溶解于熔盐中进行电解。

进一步地，硅前驱物包括CaSiO₃、Na₂SiO₃、K₂SiO₃、MgSiO₃、BaSiO₃、Al₂(SiO₃)₃及SiO₂中的一种或多种。

进一步地，金属前驱物添加于含有硅前驱物的固态阴极中或溶解于熔盐中。

进一步地，金属为Zn、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Sn、Bi、Au、Pt中的一种或多种。