一種高容量硅基復合負極材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及新材料領域，提供一種高容量硅基復合負極材料，該硅基復合負極材料的分子式為Ce

【技術實現步驟摘要】
一種高容量硅基復合負極材料及其制備方法
本專利技術涉及新材料領域，具體涉及一種高容量硅基復合負極材料及其制備方法。
技術介紹
負極材料是鋰電池在充電過程中鋰離子和電子的載體，起著能量的儲存與釋放的作用；在電池成本中，負極材料占5～15％,是鋰離子電池的重要原材料之一。當前商業化的鋰電池負極材料主要是改性天然石墨和人造石墨，盡管制備技術已相當成熟，但其理論比容量只有372mAh/g，難以滿足市場對大容量鋰離子電池的需求，因此研發人員在加大更高克容量的硅基負極研發。鑒于石墨負極已達到理論容量天花板，硅是目前負極材料中比容量最高的，其理論最大比容量可達到4200mAh/g。但硅基負極目前成本過高(普通石墨3倍以上)。目前主流的方案是將硅氧和硅碳復配石墨后再使用，常規的克容量型號有400、407、420、450、550、650mAh/g，還遠未達到其理論極限。因此，進一步開發具有實用價值的高容量硅基負極材料及其制備方法就成為當務之急。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種高容量硅基復合負極材料及其制備方法。為解決技術問題，本專利技術的解決方案是：提供一種高容量硅基復合負極材料，該硅基復合負極材料的分子式為Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外觀呈棉絮狀，比容量范圍在1900～2200mAh/g。本專利技術進一步提供了所述高容量硅基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)按摩爾比3∶6∶7∶4取次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭作為溶質，按質量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去離子水、異丙醇和正丁醇，混合均勻制成溶劑；將溶質加入溶劑中，溶質的總質量與溶劑的質量比為17.6％；在80℃條件下，攪拌5～7分鐘，得到混合液一，備用；通過該步驟制備均勻的前驅體溶液。(2)將納米二氧化硅加至混合液一中，納米二氧化硅與混合液一的質量比為20％；在80℃條件下，攪拌3～5小時，得到混合液二，備用；在該步驟中通過加入硅源以獲得硅基材料。(3)將混合液二降溫至0℃，加入環氧丙烷，并攪拌均勻；環氧丙烷與混合液二的質量比為5％；靜置10～12小時，得到混合凝膠；在該步驟中，通過凝膠化工藝使得體系固化為一個整體。(4)將步驟(3)所得混合凝膠在氬氣氣氛下升溫至810～830℃，保溫2～4小時；冷卻至室溫后，即得到高容量硅基復合負極材料。在該步驟中通過高溫煅燒實現摻雜。本專利技術所述步驟(2)中，次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭、甲醇、異丙醇和正丁醇均為分析純。本專利技術所述步驟(2)中，納米二氧化硅為固體粉末狀，其粒徑為100nm～300nm。專利技術原理描述：與現有技術中硅氧復配石墨和硅碳復配石墨方案相比，本專利技術通過磷、鈰、鑭三元共摻雜實現高容量硅基負極材料的制備，得到單純的經過改性的硅基材料。通過磷、鈰、鑭三種元素的協同作用擴展并優化鋰的擴散通路，提升硅基負極材料本征柔性，同時提高負極充放電穩定性。其中，擴散通路是指在電化學反應中鋰離子的擴散路徑。經過擴散路徑的優化可提高鋰離子擴散效率，利于容量提高。由于硅基負極材料在電化學反應中不斷循環脫/嵌鋰，造成體系循環增大減小，若結構剛性太強則容易造成結構失效影響穩定性。本專利技術所得硅基材料中硅原子配位數減小，大大提高了Si-O鍵以及Si-P鍵的自由度，有利于提高本征柔性。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：1、本專利技術利用磷、鈰、鑭三種元素共摻雜的協同作用，使得所得硅基負極材料具有更高的本征柔性以及相對現有硅基負極材料更高的容量。2、本專利技術利用硫酸銨在高溫下對硅基材料的刻蝕特性，構造更加柔性的硅基復合材料結構，從而使其具有更好的充放電穩定性。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本專利技術，但不以任何形式限制本專利技術。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本專利技術的保護范圍。以下實施例中，次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭、甲醇、異丙醇和正丁醇均為分析純。實施例1：高容量硅基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)按摩爾比3∶6∶7∶4取次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭作為溶質，按質量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去離子水、異丙醇和正丁醇，混合均勻制成溶劑；將溶質加入溶劑中，溶質的總質量與溶劑的質量比為17.6％；80℃條件下，攪拌5分鐘，得到混合液一，備用；(2)將粒徑為100nm的納米二氧化硅加至混合液中；納米二氧化硅與混合液一質量比為20％；80℃條件下，攪拌3小時，得到混合液二，備用；(3)將混合液二降溫至0℃，加入環氧丙烷，并攪拌均勻；環氧丙烷與混合液二質量比為5％；靜置10小時，得到混合凝膠；(4)將步驟(3)所得混合凝膠，置于氬氣氣氛下，升溫至810℃，保溫2小時，冷卻至室溫后，即可得到高容量硅基復合負極材料。該硅基復合負極材料的分子式為Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外觀呈棉絮狀；以電荷庫倫法測試，比容量達到1900mAh/g。實施例2:高容量硅基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)按摩爾比3∶6∶7∶4取次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭作為溶質，按質量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去離子水、異丙醇和正丁醇，混合均勻制成溶劑；將溶質加入溶劑中，溶質的總質量與溶劑的質量比為17.6％；80℃條件下，攪拌6分鐘，得到混合液一，備用；(2)將粒徑為200nm的納米二氧化硅加至混合液中；納米二氧化硅與混合液一質量比為20％；80℃條件下，攪拌4小時，得到混合液二，備用；(3)將混合液二降溫至0℃，加入環氧丙烷，并攪拌均勻；環氧丙烷與混合液二質量比為5％；靜置11小時，得到混合凝膠；(4)將步驟(3)所得混合凝膠，置于氬氣氣氛下，升溫至820℃，保溫3小時，冷卻至室溫后，即可得到高容量硅基復合負極材料。該硅基復合負極材料的分子式為Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外觀呈棉絮狀；以電荷庫倫法測試，比容量達到2050mAh/g。實施例3:高容量硅基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)按摩爾比3∶6∶7∶4取次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭作為溶質，按質量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去離子水、異丙醇和正丁醇，混合均勻制成溶劑；將溶質加入溶劑中，溶質的總質量與溶劑的質量比為17.6％；80℃條件下，攪拌7分鐘，得到混合液一，備用；(2)將粒徑為300nm的納米二氧化硅加至混合液中；納米二氧化硅與混合液一質量比為20％；80℃條件下，攪拌5小時，得到混合液二，備用；(3)將混合液二降溫至0℃，加入環氧丙烷，并攪拌均勻；環氧丙烷與混合液二質量比為5％；靜置12小時，得到混合凝膠；(4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種高容量硅基復合負極材料，其特征在于，該硅基復合負極材料的分子式為Ce

【技術特征摘要】
1.一種高容量硅基復合負極材料，其特征在于，該硅基復合負極材料的分子式為Ce0.01La0.02SiO1.1P0.1，外觀呈棉絮狀，比容量范圍在1900～2200mAh/g。


2.權利要求1所述高容量硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)按摩爾比3∶6∶7∶4取次亞磷酸鈉、硫酸銨、硝酸鈰、硝酸鑭作為溶質，按質量比0.3∶5∶0.5∶0.1取甲醇、去離子水、異丙醇和正丁醇，混合均勻制成溶劑；將溶質加入溶劑中，溶質的總質量與溶劑的質量比為17.6％；在80℃條件下，攪拌5～7分鐘，得到混合液一，備用；
(2)將納米二氧化硅加至混合液一中，納米二氧化硅與混合液一的質...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張玲潔，王小琳，
申請(專利權)人：浙江大學自貢創新中心，
類型：發明
國別省市：四川;51