[发明专利]一种二氧化硅/碳布自支撑电极材料的制备方法与应用

说明书

一种二氧化硅/碳布自支撑电极材料的制备方法与应用。将预处理后的碳布置于硅盐水溶液中，用酸调节pH，经一步水热反应得到无定形二氧化硅颗粒均匀负载于碳布上，且颗粒尺寸小于10纳米。然后，将所得复合材料应用为锂/钠离子电池自支撑负极，在电流密度为0.1A.cm^‑2时，作锂/钠离子电池自支撑负极，首圈放电面积比容量分别为5.47和4.29mAh.cm^‑2，经大的倍率测试之后，电流密度回到0.2A.cm^‑2并循环至200圈时，放电面积比容量分别为1.5和1.2mAh.cm^‑2，无论作锂离子电池自支撑负极还是钠离子电池自支撑负极，在倍率和循环测试中，除首圈外，均表现出较高的库伦效率。本发明工艺简单、成本低，可重复性好，具有成为优异电池自支撑负极材料的潜力。

技术领域

本发明涉及锂离子电池和钠离子电池制造技术领域，具体涉及一种二氧化硅/碳布自支撑电极材料的制备方法与应用。

背景技术

随着电子技术的发展，出现了各式与人们生活密切相关的电子设备，比如手机、电脑乃至电动汽车等。这就迫切开发出新型的成本低且储能高的储能设备。目前，锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和环保等优点，是现代社会先进的储能设备之一。然而，随着锂资源的消耗势必会导致其成本的增加。于是，科研人员致力于从两个方面着手来解决这一问题，一方面开发出高比容量锂离子电池电极材料，另一方面寻找可替代锂离子电池储能的技术，如利用钠、钾、铝、镁、锌等丰富元素的替代能源储存技术越来越受到人们的关注。特别是钠离子电池(SIB)由于其天然丰度和合适的氧化还原电位(Na⁺/Na为-2.71V)而具有广阔的应用前景。

目前，商业化锂离子电池负极材料主要为碳材料，但相对较低的理论比容量(372mA h g^-1)严重限制了电池的能量密度。硅(Si)具有极高的理论容量(4200mA h g^-1)，且地壳中储量丰富，环境友好，被认为是最有前途的替代石墨的材料。然而，在锂化/脱锂过程中Si(～400％)的剧烈体积波动严重阻碍了它的广泛应用。最近，硅氧化物(SiO₂)因其储量丰富、成本低、易于合成，在循环过程中显示出与元素Si相比较小的体积变化，而得到关注。由于传统的浆料涂覆电极要添加绝缘的聚合物粘结剂降低了导电性的同时还减少了活性物质的占比。此外，在Li⁺脱嵌过程中不可避免的体积变化会导致微结构开裂和重构，从而导致电极材料从集流体上脱落，使得电池性能的快速退化。为了克服这些障碍，出现了一种不使用聚合物粘合剂和金属集电器的自支撑电极材料。如Ren W等采用等离子体增强和化学气相沉积方法在碳布上制备出包有Si的SnO₂纳米线阵列，用作锂离子电池自支撑负极材料，在电流密度为0.38mA.cm^-2时首圈放电比容量为2.13mAh.cm^-2)及良好的循环性能。(SnO₂@Si core–shell nanowire arrays on carbon cloth asa flexible anode for Liion batteries[J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(43):13433.)。Mahmut D等通过静电纺丝技术，制备出SiO₂/C纳米纤维自支撑复合负极材料，在电流密度为100mA.g^-1时首圈放电比容量约为400mAh.g^-1。(Flexible binder-free silicon/silica/carbonnanofiber composites as anode for lithium–ion batteries[J].ElectrochimicaActa,2015,169:52-60.)。Ren,Y R等采用电纺技术制备了SiO₂/C复合纤维，在电流密度为50mA.g^-1时，循环50圈后放电比容量为465mAh.g^-1。(Electrospun SiO₂/Ccomposite fibers as durable anode materials for lithium ionbatteries[J].SolidState Ionics,2016,292:27-31.)。然而，上述操作复杂，成本高。