[发明专利]一种花瓣状微-纳复合结构硅材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种花瓣状微‑纳复合结构硅材料及其制备方法和应用，涉及锂电池材料技术领域。该制备方法包括：将硅源、水、碱和碳酸盐的第一混合物进行水热反应，反应结束后，干燥得到硅前驱体；将硅前驱体和金属还原剂的第二混合物进行还原反应，反应结束后，干燥得到花瓣状微‑纳复合结构硅材料；其中，硅源为二氧化硅和黏土矿物中的至少一种。该花瓣状微‑纳复合结构硅材料是由纳米硅组成的二次团聚体构成，微观呈现花瓣状形貌，具有多级孔结构。该材料兼具纳米硅和微米硅的特点，具有振实密度高、离子/电子传递路径短等优点，可应用于锂电子电池负极材料领域。

技术领域

本发明涉及锂电池材料技术领域，具体而言，涉及一种花瓣状微-纳复合结构硅材料及其制备方法和应用。

背景技术

电动汽车、移动电子设备、智能电网等众多行业产品/设备的快速发展，对锂离子电池提出了更高的要求，制备更高性能的锂离子电池面临巨大挑战。硅被认为是最有前景的锂离子电池负极材料，其理论比容量远优于商业石墨负极材料(4200vs 372mAh/g)，且其放电电位接近金属锂(～0.2V)。但是，硅负极在充放电循环过程中会发生巨大的体积变化，产生的应力会使硅颗粒破裂、粉化，与集流体失去有效电接触，导致容量快速衰减；此外，硅剧烈的体积变化会促进固体电解质界面膜生成，消耗更多不可逆的锂离子。为了解决上述问题，当前主要有两种策略：(1)减少硅尺寸，如制备各种纳米结构(纳米颗粒、纳米线、纳米片、多孔结构等)，进而有效地抑制循环过程中因为硅体积变化产生的机械应力，且缩短锂离子的扩散路径；(2)在硅表面引入导电保护层(如碳材料、导电聚合物、金属等)，充当缓冲介质、抑制体积变化，且提升硅负极的传输性质。这些策略在一定程度上都能改善硅负极的电化学储锂性能。

然而，硅负极材料的实际应用还存在一些技术障碍。首先，纳米硅的振实密度远低于商用石墨，导致其体积能量密度较低。其次，硅纳米颗粒还可能产生一些健康和安全问题，比如人体吸入、爆炸风险等。另一方面，大尺寸(微米)硅负极材料可以提高锂电子电池体积能量密度。但是，微米硅在充放电过程中更易粉化，且具有较长的离子/电子传递路径，导致容量衰减快、倍率性能差。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种花瓣状微-纳复合结构硅材料的制备方法，该方法简单易行，无需额外引入模板剂(如碳材料)，制备过程绿色可控，无需使用有毒危险试剂，容易扩大制备。

本发明的目的在于提供一种花瓣状微-纳复合结构硅材料，其具有花瓣状微米结构，具有振实密度高、离子/电子传递路径短等优点。

本发明的目的在于提供一种花瓣状微-纳复合结构硅材料在锂电子电池中的应用。

本发明的目的在于提供一种锂离子电极负极材料，其具有优异的电化学储锂性能。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种花瓣状微-纳复合结构硅材料的制备方法，其包括：

将硅源、水、碱和碳酸盐的第一混合物进行水热反应，反应结束后，干燥得到硅前驱体；

将所述硅前驱体和金属还原剂的第二混合物进行还原反应，反应结束后，干燥得到花瓣状微-纳复合结构硅材料；

其中，所述硅源为二氧化硅和黏土矿物中的至少一种。

第二方面，本发明提供一种花瓣状微-纳复合结构硅材料，其是采用如前述实施方式任一项所述的花瓣状微-纳复合结构硅材料的制备方法制备而成。

第三方面，本发明提供如前述实施方式所述的花瓣状微-纳复合结构硅材料在锂电子电池中的应用。

第四方面，本发明提供一种锂离子电极负极材料，其包括如前述实施方式所述的花瓣状微-纳复合结构硅材料。

本发明具有以下有益效果：