[发明专利]一种Si@TiO2

说明书

本发明涉及一种Si@TiOsubgt;2/subgt;@C复合材料及其制备方法、负极极片和锂电池。本发明通过TiOsubgt;2/subgt;的应力抑制硅的体积过分膨胀、外层碳提供一定的导电性，提供了纳米硅可以充分发挥容量优势且提高了材料整体的导电性的Si@TiOsubgt;2/subgt;@C复合材料。本发明通过两步法高效快速合成Si@TiOsubgt;2/subgt;@C层状结构，充分发挥材料的优势，充分降低了反应能耗和优化了操作的便捷性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种Si@TiO2@C复合材料及其制备方法、负极极片和锂电池。

背景技术

目前主流的锂电池负极材料是石墨，但是石墨理论比容量较低，为372mAh/g，现在的石墨材料基本已经开发到极限容量。目前锂电池负极的主要研究方向为更换基底材料或在碳基材料的基础上加入其他高容量材料来提高锂电池的性能。

硅类化合物被认为是最具潜力的负极材料之一，但是其存在巨大的体积效应，导致导电网络破坏。因此，现有技术中已公开将其进行包覆来缓解硅类化合物的体积膨胀。

目前有通过使用钛酸四丁酯和纳米硅充分水热混合，再使用蔗糖溶液与前一步反应的溶液混合旋蒸，得蒸干混合物，放入氩气氛围管式炉中灼烧得到层状结构Si@TiO₂@C。通过旋蒸将蔗糖碳化，确实成功地将碳包覆在Si@TiO₂材料的表面，但是此方式使用的碳源成本较高，且制备过程会有一定的损耗。另外，通过充满氩气的管式炉碳化，此方法一般需要升温至800℃以上，在制备的过程中耗能很高，对于企业生产来说生产成本较高。而且，在旋蒸过程中，溶剂会溶解部分Si@TiO₂材料，造成一定不必要的损失，且有可能会于溶液中分解，进而可能导致碳化过程中碳材料包覆不均匀，还可能会出现材料团聚的现象。

发明内容

发明要解决的问题

鉴于上述情况，需要提供一种即使可能加入更多的硅也会一定程度上的抑制硅的体积膨胀低能耗、制备过程容易、即使可能加入更多的硅也会一定程度上的抑制硅的体积膨胀、可产业化生产的制备方法。

用于解决问题的方案

本发明中，通过使用特定粒径范围的纳米硅类材料形成稳定的Si@TiO₂并且规定Si@TiO₂与含碳材料的比例，从而获得能够抑制硅的体积膨胀、结构稳定、在电池循环过程中提供稳定的高容量的Si@TiO₂@C复合层状材料。另外，外层碳对整体材料提供一定的导电性，因此材料中各组分充分发挥了协同作用。本发明在制备过程中使用水浴法制取二氧化钛，使其包覆纳米硅类材料，再通过含碳材料将制备出的核壳结构包裹住，通过两步法高效快速合成Si@TiO₂@C层状结构，充分发挥材料的优势、降低反应能耗并优化了操作的便捷性。

本发明提供一种Si@TiO₂@C复合材料，所述复合材料包括核、中间层和外层，所述核包括硅类化合物，所述中间层包括TiO₂，所述外层包括含碳材料，

其中所述硅类化合物的粒径范围为20-1000nm，所述硅类化合物和TiO₂的总质量与所述含碳材料的质量的比为1:1～10:1。

根据以上所述的复合材料，其中所述硅类化合物选自硅、氧化硅、氧化亚硅中的一种或多种；所述含碳材料来自石墨、MWCNTs、SWCNTs、石墨烯中的一种或多种。

根据以上所述的复合材料，其中所述硅类化合物与TiO₂的质量比为5:1～20:1、优选10:1～15:1。