[发明专利]Si@void@C嵌入三维多孔碳网负极材料及其制备与应用

说明书

本发明公开了Si@void@C嵌入三维多孔碳网负极材料及其制备与应用。本发明我们以商业化的纳米硅粒子为研究体系，采用光敏化聚合苯乙烯~硅纳米离子乳液、高温煅烧热处理与水热相结合的方式控制合成核壳结构Si@void@C嵌入三维多孔碳网的复合材料。通过紫外光照射聚合苯乙烯，形成聚苯乙烯，高温热解形成碳源，合成工艺简单、绿色，苯乙烯单体价格低廉。本发明避免了以往核壳结构Si@void@C研究工作中涉及的繁复模板引入及其腐蚀性HF对环境的破坏，有效地提升了Si纳米粉体的循环比容量与稳定性，降低了材料成本，有望实现商业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，特别是涉及Si@void@C嵌入三维多孔碳网负极材料及其制备与应用。

背景技术

目前，锂离子电池在电动车电源方面取得了迅速的发展，显示出广阔的发展前景。然而当前锂离子电池续航里程较短，这就要求科研工作者进一步提高电极材料的能量密度和循环稳定性能，推进高容量电极材料在电动车领域的商业化应用进程。锂离子电池负极主要以天然或人造石墨、中间相炭微球、钛酸锂为主。但是目前常用的负极材料容量普遍偏低，钛酸锂理论容量为175mAh/g，石墨理论容量为372mAh/g，远远不能满足电动汽车电池能量密度≥300wh/kg的要求。现有的低容量负极材料已逐渐成为锂离子电池能量密度提升的制约因素之一。目前已知的负极材料中，硅是理论容量最高的一种。而目前最有效的硅利用方式是将硅与石墨复配，降低硅的含量，并用石墨抑制硅体积膨胀。但是这种方法使用的硅碳材料中硅含量基本在5％以下，复合材料的实际容量600mAh/g，对电池能量密度的提升效果较弱。目前，虽然有较多核壳结构复合材料的制备方法，但这些方法大多采用SiO作为缓冲层，需要使用毒性较大的氢氟酸刻蚀SiO，安全性差且成本较高。申请号201811273752.X的专利公开了一种硅～碳核壳结构的复合材料及其制备方法和应用，利用碳酸镁作为缓冲层，缓冲层包覆硅球，碳层包覆缓冲层，将缓冲层溶解后碳层与硅微球之间留有空隙。但该方法仍然是使用试剂对SiO缓冲层进行溶解，试剂仍然会破坏缓冲层。所以现在需要一种新的制备方法，以商业化的纳米硅粒子为研究体系，制备核壳结构Si@void@C复合材料，作为锂离子电池负极材料，安全性高，使其能够商业化应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供Si@void@C嵌入三维多孔碳网负极材料及其制备与应用。通过紫外光照射聚合苯乙烯聚合形成聚苯乙烯，高温热解形成碳源，合成工艺简单、绿色，苯乙烯单体价格低廉。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的第一方面，提供Si@void@C嵌入三维多孔碳网负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硅粉超声分散于去离子水溶液中，得到被水化膜包裹的硅粉；

(2)以Tween 80、Span 85和苯乙烯单体作为油相，称取硅烷偶联剂和光敏剂依次放入油相中，超声处理得到油相混合溶液；

(3)将被水化膜包裹的硅粉与油相溶液混合并乳化搅拌2～4h，紫外线照射，然后真空冷冻干燥，再送入Ar气环境中碳化，最后经水热处理得到灰黑色产物。

优选的，步骤(1)中，所述硅粉的纯度为99.99％，粒径为50～200nm。

优选的，步骤(1)中，所述硅粉与去离子水的加入量之比为(40～90)mg:(10～16)mL。

优选的，步骤(2)中，Tween 80、Span 85与苯乙烯单体的体积比为(0.02～0.06)：(0.08～0.24)：(30～60)，硅烷偶联剂与光敏剂的用量比为(0.8～1.2)mL：(0.03～0.06)g；所述硅烷偶联剂与油相的体积比为(0.8～1.2)：(30～60)。

优选的，所述硅烷偶联剂为乙烯三乙氧基硅烷；所述光敏剂为二苯氧膦。