[发明专利]一种碳片笼包覆多孔硅材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂电池技术领域，公开了一种碳片笼包覆多孔硅材料及其制备方法和应用。所述碳片笼包覆多孔硅材料是将铝硅合金加入无机酸溶液中搅拌，过滤或者离心制得多孔硅，将多孔硅加入到含碳源和二氧化硅源的乙醇/去离子水的混合溶液中搅拌，在150～170℃保温制得前驱体；所得前驱体在惰性气氛下在800～1000℃烧结，得到C/SiO₂双连续包覆多孔硅，将C/SiO₂双连续包覆多孔硅加入氢氟酸中，经洗涤后烘干制得。本发明的碳片笼包覆多孔硅材料具有出色的高可逆容量、循环稳定性能和倍率性能，可应用在锂电池领域中。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体地，涉及一种碳片笼包覆多孔硅材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于其绿色环保无污染等优点，使得其在便携式消费电子、新能源汽车、医疗电子等领域获得了广泛应用，随着它的应用广泛，使得消费者对锂电池的能量密度的需要也是日益增长。在正极尚不能有效的提高电池能量密度的条件下，因此提高负极材料的理论比能量密度迫在眉睫。目前最常用的是石墨负极，其理论比容量仅为372mAh/g，而目前新型硅碳负极材料的嵌锂理论容量为4200mAh/g，并且该材料是目前已知负极中理论比能量密度最高的，是目前最有可能取代石墨负极的材料之一。

但是硅基材料作为锂离子电池的负极仍然存在着很多问题，比如体积膨胀、首效低以及SEI膜重复生长消耗电解液、电子离子传输效率低、导电性差等问题，而体积膨胀是主要问题；因为锂离子嵌入硅负极过程中形成合金相Li₁₅Si₄等，从而产生极为明显的体积膨胀(360％以上)，同时还会因为锂离子的嵌入/脱除形成巨大的应力；由于上述的作用会出现如下问题：活性材料从集流体上剥落下来；活性材料的粉碎和粉化；SEI膜的不断重复再生。同时在硅的外层包覆上一层致密的碳层，会影响锂离子的传输，造成了较大的界面阻抗。以上的这些过程都容易造成负极材料的结构坍塌和电池容量的衰减。为了解决硅基负极电极材料所出现的问题，可以通过硅材料的改性、碳包覆、硅碳复合等，通过这些措施能够极大的改善上述出现的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点和不足之处，本发明首要目的在于提供一种碳片笼包覆多孔硅材料，该碳片笼包覆多孔硅材料是先利用铝硅合金制备多孔硅，在其外层包覆C/SiO₂双连续复合项，后经过酸洗得到。

本发明的另一目的在于提供上述碳片笼包覆多孔硅材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述碳片笼包覆多孔硅材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种碳片笼包覆多孔硅材料，所述碳片笼包覆多孔硅材料是将铝硅合金加入无机酸溶液中搅拌，过滤或者离心制得多孔硅，将多孔硅加入到含碳源和二氧化硅源的乙醇/去离子水的混合溶液中搅拌，在150～170℃保温制得前驱体；所得前驱体在惰性气氛下在800～1000℃烧结，得到C/SiO₂双连续包覆多孔硅，将C/SiO₂双连续包覆多孔硅加入氢氟酸中，经洗涤后烘干制得。

优选地，所述铝硅合金的平均粒度D50为1～5μm，所述铝硅合金中铝和硅的质量比为(4～9)：1。

优选地，所述无机酸为盐酸、硝酸或硫酸中的一种以上；所述无机酸的浓度为0.1～0.5mol/L。

优选地，所述碳源为葡萄糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸或抗坏血酸中的一种以上；所述二氧化硅源为正硅酸乙酯或/和硅氧烷。

优选地，所述混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为(2～1)：1；所述碳源的质量、二氧化硅源的体积、乙醇和去离子水的总体积比为5：(2～20)：(1000～1500)；所述多孔硅的质量、碳源的质量和二氧化硅源的体积比为(0.5～1)：(0.05～1)：(0.2～1)。