[发明专利]硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅负极材料及其制备方法。方法包括以下步骤：混合纳米硅颗粒、十六烷基三甲基溴化铵和乙醇，搅拌，进行预处理；将预处理后的所述纳米硅颗粒于水中分散，再加入抗坏血酸、十六烷基三甲基溴化铵、乌洛托品和硝酸锌，第一次加热反应，得前驱体；混合所述前驱体和N,N‑二甲基甲酰胺的水溶液、二甲基咪唑、钴盐，第二次加热反应，得ZIF‑67包覆的硅材料；对所述ZIF67包覆的硅材料进行烧结。上述方法利用MOF衍生多孔碳包覆硅纳米颗粒，可有效地解决硅在嵌脱锂过程中因3‑4倍的体积膨胀和收缩而造成的结构粉化等问题，可以显著的提高电池材料的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，特别是涉及硅负极材料及其制备方法。

背景技术

硅负极材料因理论比容量高(4200mAh g^-1)，嵌锂电位低(＜0.5V)，地壳储量丰富，无毒等优点，被认为是下一代最有潜力的锂离子电池负极材料。

然而，硅作为锂离子电池负极材料也有缺点。例如：硅是半导体材料，自身导电性能较差。而且，在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生3-4倍的体积膨胀和收缩，产生的机械作用会使材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环性能大大降低，电池容量急剧衰减。

为了克服上述问题，现有工艺尝试将硅材料纳米化和复合化。已有文献公开采用化学气相沉积法(CVD)，在硅表面原位生长碳纳米管，但是这种方法安全性相对较低，耗时较长，生产成本高，无法适用于工业的大规模生产。还有文献公开制备了硅/金属型复合材料，利用金属组分提高材料的电子电导，减少硅材料的极化，提高硅材料的倍率性能。而且金属的延展性可以一定程度上抑制硅材料的体积效应，提高循环性能，但是制备过程中产生的硅结构缺陷具有很高的电化学活性，会导致不可逆容量变大。且硅与金属复合无法避免活性硅与电解液直接接触，生成不稳定的SEI膜，导致电池循环性能降低。

发明内容

在上述背景下，本发明提供一种硅负极材料的制备方法，利用MOF衍生多孔碳包覆纳米硅颗粒，能有效的缓冲纳米硅颗粒在嵌脱锂过程中发生的体积膨胀和收缩，保持纳米硅颗粒的结构完整性，同时，MOF衍生多孔碳具有优良的导电性，可以显著的提高硅负极材料的倍率性能。制备时，耗时较短，操作简便，生产成本较低，反应条件较为温和，安全性高，适用于现代工厂大规模生产和商业应用。

具体技术方案为：

一种硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

混合纳米硅颗粒、十六烷基三甲基溴化铵和乙醇，搅拌，进行预处理；

将预处理后的所述纳米硅颗粒于水中分散，再加入抗坏血酸、十六烷基三甲基溴化铵、乌洛托品和硝酸锌，第一次加热反应，得前驱体；

混合所述前驱体和N,N-二甲基甲酰胺的水溶液、二甲基咪唑、钴盐，第二次加热反应，得ZIF-67包覆的硅材料；

对所述ZIF-67包覆的硅材料进行烧结。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用MOF衍生多孔碳包覆硅纳米颗粒，在硅纳米颗粒表面反应生长出金属有机框架，利用MOF衍生多孔碳包覆纳米硅颗粒，能有效的缓冲纳米硅颗粒在嵌脱锂过程中发生的体积膨胀和收缩，保持纳米硅颗粒的结构完整性，使硅负极材料的循环稳定性得到提高。同时，MOF衍生多孔碳具有优良的导电性，可以显著的提高硅负极材料的倍率性能。采用本发明所述的制备方法，耗时较短，操作简便，生产成本较低，反应条件较为温和，安全性高，适用于现代工厂大规模生产和商业应用。