[发明专利]一种中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料及高性能锂离子电池

说明书

本发明公开了一种中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料，其制备包括如下步骤：将PEI溶解在溶剂中形成透明溶液；再将正硅酸乙酯逐步滴加到透明溶液中形成乳白色悬浮液，再进行离心、洗涤、干燥后，得到胶体纳米球；将胶体纳米球与镁粉进行混合研磨得到混合物；将混合物在Ar气氛中进行高温煅烧，自然冷却，再经过洗涤后，即得。本发明的阳极材料由于在锂离子插入和提取期间，密封在初级中空结构硅/碳纳米颗粒中的空隙空间，具有对硅活性材料的体积膨胀和提取的耐受性，有效地抑制了硅活性材料从集电器的脱落和SEI膜的连续形成，使其具有优异的循环性能和高库伦效率。本发明还提供一种具有该阳极材料的高性能锂离子电池。

技术领域

本发明涉及二维材料结构锂离子电池技术领域，尤其涉及一种中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料及高性能锂离子电池。

背景技术

近年来，为了满足电动汽车、便携式电子产品、固定式储能等大功率器件的应用，对储能系统的需求越来越大。因此，高能量密度锂离子电池系统(包括重量和体积)的开发备受关注。为了保证电力的持续供应，人们对电网规模的固定储能系统提出了更高的需求，包括锂离子电池(LIBs)在内的电池制备技术，得到了国内外科研人员的广泛关注和重点研究。

锂离子电池(LIBs)因其具有高能量密度和长循环寿命等优点，而成为便携式电子产品最重要的电源。然而，目前商用LIBs的能量密度仍然较低，不能满足快速发展的电动汽车的需求。探索高比容量电极材料是提高LIBs能量密度的关键。在阳极材料方面，硅具有理论最大比容量(4200mAh.g^-1)和丰富的资源，被认为是下一代锂离子电池中最有前途的阳极材料。

然而，在锂的插入和提取过程中，硅阳极经历了显著的体积膨胀和收缩(～400vol％)，从而严重阻碍了硅材料作为锂离子电池负极的实际应用。一方面，巨大的膨胀和萃取使硅阳极从集电器上脱落，严重削弱了硅作为锂离子充放电活性材料的贡献；另一方面，巨大的体积膨胀也使紧密包裹在硅颗粒表面的固体电解质界面(SEI)薄膜遭到破坏，导致许多新的硅表面暴露在电解液中，使SEI薄膜的改造量更大，最终，锂离子电池的容量急剧下降，库伦效率变差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料，其在锂离子插入和提取期间，通过中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状结构，有效地抑制了活性材料从集电器的脱落和SEI膜的连续形成，使其具有优异的循环性能和高库伦效率。

本发明的目的之二在于提供一种利用上述的中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料所制得的高性能锂离子电池。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种中空结构硅/碳纳米粒子自组装石榴状硅基阳极材料，其制备包括如下步骤：

S1：胶体SiO₂@PEI纳米球的合成

在磁力搅拌下，将PEI溶解在溶剂中，形成透明溶液；再将正硅酸乙酯逐步滴加到上述透明溶液中，形成乳白色悬浮液；将上述的乳白色悬浮液进行离心、洗涤、干燥后，得到分散良好的胶体SiO₂@PEI纳米球；

S2：石榴状硅基阳极材料的制备

将步骤S1中得到的胶体SiO₂@PEI纳米球与镁粉进行混合研磨，得到混合物；将混合物在惰性气体气氛中进行高温煅烧，煅烧后自然冷却至室温，所得产物经过洗涤后，即得。

进一步地，在步骤S1中，所述溶剂由体积比为30∶2的乙醇和蒸馏水所组成。