[发明专利]一种中空结构的碳包覆硅负极材料的制备方法

说明书

本发明公开一种中空结构的碳包覆硅负极材料的制备方法，包括：对铜粉进行清洗，得到预处理铜粉；将硅烷偶联剂、有机溶剂按照质量比1：1加入去离子水中溶解形成硅烷化处理液；将预处理铜粉加入硅烷化处理液中，在水浴加热条件下充分搅拌，静置、干燥得硅烷化铜粉；将硅烷化铜粉、有机碳源和溶剂混合均匀，干燥得到前驱物；初步烧结得硅/碳/氧化铜复合材料；经酸洗溶液去除其中的金属离子，得到中空结构的硅/碳复合材料；二次烧结处理即可得到中空结构的碳包覆硅负极材料。本发明制备的负极材料中的硅能够均匀分布在碳包覆层的内层，中空的结构能够有效抑制硅充放电过程中的硅体积效应，有效提高材料的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种中空结构的碳包覆硅负极材料的制备方法。

背景技术

随着工业化进程加速与经济飞速增长，能源问题与环境污染已经成为人类亟待解决的问题，其中锂离子电池已经成为能源领域最优秀的二次电池。目前，常见的锂离子二次电池使用的负极材料以石墨类为主，这是由于石墨类具有良好的循环性能和循环效率。但石墨类负极材料理论比容量为372mAh/g，其储锂容量并非十分理想；同时由于石墨的嵌锂电位与锂的析出电位较为接近，在较大的电流以及低温状态下进行充电都会使锂析出形成锂支晶，故存在较大的安全隐患。目前科研工作者在积极寻找性能更优的负极材料，如硅基、锡基、铅基等能够与锂形成电化学合金化的金属，该类合金负极的可逆嵌锂容量远大于石墨负极，其中硅基负极材料的理论嵌锂容量高达4200mAh/g(形成Li₂₂Si₅)。然而，硅在发生锂嵌入后体积膨胀会达到3倍以上，造成材料结构机械粉化的破坏，从而会导致循环性能衰减很快。为提高硅负极材料的循环稳定性，研究人员采用了各种硅的复合材料，如各种与硅的合金材料、与碳进行复合制备的硅碳复合材料等，这些方法虽然能够对硅负极的循环性能起到一定的改善作用，但其机理都是对硅进行简单的物理复合或者高温碳包覆，并不能在根本上对硅负极充放电过程中的体积变化起到抑制作用，仅能在短期提高硅负极的循环稳定性。

因此开发一种能够有效抑制硅负极体积效应的工艺方法是将硅负极推向商业化的最大瓶颈。通过对硅/碳复合材料进行形貌控制被证明是有效地途径，如专利文件CN105633363A通过氧化亚铜为模板法制备了中空多孔的硅碳复合材料，在一定程度上能够提高其循环性能，但硅较难在氧化亚铜表面形成均匀的硅包覆层，形成的复合材料在氧化亚铜模板消失后存在一定的结构应力，对循环性能存在一定的破坏作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种中空结构的碳包覆硅负极材料的制备方法，通过本方法制备的碳包覆硅负极材料可有效抑制硅材料循环过程中的体积效应，进而提高硅负极材料的循环稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种中空结构的碳包覆硅负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

（1）对铜粉进行清洗，得到预处理铜粉；

（2）将硅烷偶联剂、有机溶剂按照质量比1：1加入去离子水中溶解形成硅烷化处理液；

（3）将预处理铜粉加入硅烷化处理液中，在水浴加热条件下充分搅拌，静置后过滤出铜粉，于空气中自然干燥得硅烷化铜粉；

（4）将硅烷化铜粉、有机碳源和溶剂混合均匀，然后干燥得到前驱物；将前驱物置于保护性气氛中进行初步烧结，得到硅/碳/氧化铜复合材料；

（5）将硅/碳/氧化铜复合材料加入到酸洗溶液中，持续搅拌，待其中的氧化铜反应完全后用去离子水洗，以去除其中的金属离子，得到中空结构的硅/碳复合材料；

（6）将中空结构的硅/碳复合材料置于保护性气氛中二次烧结处理即可得到中空结构的碳包覆硅负极材料。