CN107464920A - 一种锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：在硅纳米颗粒表面生长NiO包覆层，得到Si/NiO纳米复合材料；对Si/NiO纳米复合材料进行静电纺丝处理，得到Si/NiO/石墨烯复合材料；对Si/NiO/石墨烯复合材料进行干燥煅烧，得到Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料；对Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料进行酸处理，完全去除NiO，得到三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料；最后对三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料进行清洗干燥。本发明通过控制NiO包覆层厚度在硅纳米颗粒和石墨烯/碳基之间形成精确可控的空隙，缓冲硅纳米颗粒在充放电过程中体积膨胀，有效避免电极破裂、粉化等，保持电极结构的完整性，使得锂离子电池具有优良的循环稳定性和超长寿命。

Description

一种锂离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料制备技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池(LIBs)由于其相对较高的放电电压、能量密度和很好的功率性能，所以无处不在的应用于便携式电子产品和网络存储。目前更多的研究都在追求高理论容量的电极材料来取代目前已经发展的石墨负极材料。其中，硅基负极材料是最具有吸引力的替代品，因其具有非常高的理论容量4200mAh g-1(形成全锂化状态Li4.4Si)和低放电电压(Si的平均脱嵌锂电压为0.4V)。然而，由于其在充放电过程中的大体积变化(高达311％)所引起的开裂和粉碎，使得到电极循环寿命受到限制。
虽然众多的纳米硅基材料包括硅微/纳米管，硅纳米颗粒/碳复合材料，纳米多孔硅和纳米线已被提出是可以提高循环稳定性的硅负极材料，但要使每个硅纳米粒子都有自由膨胀空间的硅基电极制造仍然是一个巨大的挑战。另一个限制硅基电极循环寿命长的关键因素，是不稳定的固体电解质界面(SEI)在电极的表面形成。如果SEI层变形或断裂，在下一个充电过程需要在电极表面形成新的SEI，这将导致电池库仑效率差，同时堆积的固体电解质界面(SEI)也会阻碍锂离子的传输。许多研究都集中在提高电极的稳定性使得到锂离子电池在几十甚至到几百次循环仍具有相对高的容量。然而，它仍然是远远无法满足其在实际应用中所需的循环寿命。
因此，现有应用于锂离子电池负极材料的纳米硅基材料制备技术还有待改进。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：对硅纳米颗粒进行原子层沉积处理，在硅纳米颗粒表面生长精准厚度的NiO包覆层，得到Si/NiO纳米复合材料；对Si/NiO纳米复合材料进行静电纺丝处理，得到Si/NiO/石墨烯复合材料；对Si/NiO/石墨烯复合材料进行干燥煅烧，得到Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料；对Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料进行酸处理，完全去除NiO，得到三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料；对三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料进行清洗干燥。
进一步的，所述原子层沉积处理为将硅纳米颗粒放进原子层沉积反应室，顺序通入Ni(dmamp)2和臭氧在温度250℃-300℃下进行反应，形成厚度为5-50nm的NiO包覆层。
进一步的，所述硅纳米颗粒的粒径为1-100nm，纯度为99.99％。
进一步的，所述静电纺丝处理为首先将Si/NiO纳米复合材料、高分子聚合物、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和石墨烯按质量比为30:10:500:1–80:30:500:1进行混合，在40–80℃下用磁力搅拌棒搅拌一晚上，得到静电纺丝前驱液；其次将静电纺丝前驱液超声90-180min，得到到均匀的悬浮液；再将静电纺丝前驱液注入内径约为0.3-0.8mm的不锈钢喷嘴的注射器中， 调整喷嘴和接收装置的距离为10-20cm，喷嘴和接收装置分别连接高压直流电源的两个电极；最后施加10-20KV的电压并以1-4mL/h的流速进行静电纺丝，形成Si/NiO/石墨烯复合材料。
进一步的，所述高分子聚合物为聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种。
进一步的，所述干燥煅烧为将Si/NiO/石墨烯复合材料在真空条件下干燥20-30h，然后在流动的氩气环境中，以1-5℃/min的升温速率，经400℃煅烧2-4h，形成Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料。
进一步的，所述酸处理为将Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料放入1-5M的盐酸溶液中反应2-5h，使得NiO完全去除。
进一步的，所述清洗干燥为将三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料用去离子水洗涤3-5次，并在真空条件下以60-100℃干燥1-3h；最后将其放在流动的氩气环境中，以1-5℃/min的升温速率，经600℃-900℃煅烧2-4h。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明材料的独特三维混合结构在整个多孔结构中硅纳米颗粒和石墨烯/碳基之间具有内置的空隙，这就使得到SEI膜在多孔石墨烯/碳基的外表面形成，而不是在硅纳米颗粒表面形成，从而限制了SEI的数量和增加其稳定性，同时获得到了在充放电循环过程中高效的电子和锂离子快速运输渠道。
2、本发明提供制备过程简单，硅膨胀空隙精确可控，可根据产品需求进行自由控制，通过原子层沉积处理技术(ALD)在硅纳米颗粒表面覆盖 NiO包覆层，随后进行静电纺丝，并在后续酸处理去除NiO，从而在硅纳米颗粒和石墨烯/碳基之间形成精确控制的空隙，用于缓冲硅纳米颗粒在充放电过程中体积膨胀的自由空间，能有效避免电极破裂、粉化等，保持电极结构的完整性，使得到锂离子电池具有优良的循环稳定性和超长寿命。
3、本发明材料的三维多孔结构，缩短了锂离子扩散的运输途径，增加了电极和电解质的接触面积，并允许锂离子电渗透到电极的内层区域，实现电极材料的高利用率。
4、本发明材料具有很好的柔韧性，即使在强弯曲条件下，仍然可以保持结构的完整性，该材料无需粘结剂和导电剂就可以直接应用于锂离子电池或柔性锂离子电池的负极材料。
5、采用本发明制备的锂/钠离子电池表现出优异的电化学性能，具有高的容量、优异的循环稳定性和良好的倍率性能。锂离子电池在700mA/g的电流密度下充放电循环1050周期后仍保持2002mAh/g的比容量，而且平均每个循环只有0.006％的初始容量衰减；在1400mA/g和28000mA/g的高电流密度下循环2800周期后仍可以分别保持1201mAh/g和582mAh/g的比容量。所以，柔性硅/石墨烯/碳纳米纤维(FSiGCNFs)材料在储能领域具有非常广阔的发展前景。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明锂离子电池负极材料的制备方法的流程图；
图2为本发明三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料的合成过程图；
图3为本发明三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料充放电循环过程中的变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S01，对硅纳米颗粒进行原子层沉积处理，在硅纳米颗粒表面生长精准厚度的NiO包覆层，将粒径约为50nm、纯度为99.99％的硅纳米颗粒放进原子层沉积(ALD)反应室，然后顺序通入Ni(dmamp)2和臭氧在260℃下进行反应，反应结束后得到到一层厚约为16nm，覆盖在硅纳米颗粒表面的NiO层，得到Si/NiO纳米复合材料；
S02，对Si/NiO纳米复合材料进行静电纺丝处理，首先将步骤S01得到到的Si/NiO复合材料、聚丙烯腈(PAN)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和石墨烯按质量比为20:20:500:1进行混合，在50℃下用磁力搅拌棒搅拌一晚上，得到静电纺丝前驱液；其中DMF的纯度为99.8％，石墨烯通过机械剥离方法获得到；再将静电纺丝前驱液超声100min，得到均匀的悬浮液；其次将静电纺丝前驱液注入内径约为0.5mm的不锈钢喷嘴的注射器中，调整喷嘴和接收装置的距离为12cm，然后将喷嘴和接收装置分别连接高压直流电源的两个电极，然后施加15KV的电压并以2mL/h的流速进行静电纺丝，得到Si/NiO/石墨烯复合材料。
S03，对Si/NiO/石墨烯复合材料进行干燥煅烧，将Si/NiO/石墨烯复合材料在真空条件下干燥25h，然后再在流动的氩气环境中，以2℃/min的升温速率，经400℃煅烧2h，得到Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料；
S04，对Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料进行酸处理，将Si/NiO/石墨烯/碳复合材料薄膜放到2M的盐酸(HCl)溶液中反应3h，使得到NiO完全去除，得到三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料；
S05，对三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料进行清洗干燥，用去离子水洗涤3次，并在真空条件下以70℃干燥3h，最后再将其放在流动的氩气环境中，以3℃/min的升温速率，经800℃煅烧2h。
实施例2
如图1所示，一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S01，对硅纳米颗粒进行原子层沉积处理，在硅纳米颗粒表面生长精准厚度的NiO包覆层，将粒径约为50nm、纯度为99.99％的硅纳米颗粒放进原子层沉积(ALD)反应室，然后顺序通入Ni(dmamp)2和臭氧在290℃下进行反应，反应结束后得到到一层厚约为16nm，覆盖在硅纳米颗粒表面的NiO层，得到Si/NiO纳米复合材料；
S02，对Si/NiO纳米复合材料进行静电纺丝处理，首先将步骤S01得 到到的Si/NiO复合材料、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和石墨烯按质量比为30:20:500:1进行混合，在70℃下用磁力搅拌棒搅拌一晚上，得到静电纺丝前驱液；其中DMF的纯度为99.8％，石墨烯通过机械剥离方法获得到；再将静电纺丝前驱液超声100min，得到均匀的悬浮液；其次将静电纺丝前驱液超声120min，得到到均匀的悬浮液，将静电纺丝前驱液注入内径约为0.3mm的不锈钢喷嘴的注射器中，调整喷嘴和接收装置的距离为16cm，然后将喷嘴和接收装置分别连接高压直流电源的两个电极，然后施加18KV的电压并以3mL/h的流速进行静电纺丝，得到Si/NiO/石墨烯复合材料；
S03，对Si/NiO/石墨烯复合材料进行干燥煅烧，将Si/NiO/石墨烯复合材料在真空条件下干燥20h，然后再在流动的氩气环境中，以3℃/min的升温速率，经450℃煅烧2h，得到Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料；
S04，对Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料进行酸处理，将Si/NiO/石墨烯/碳复合材料薄膜放到3M的盐酸(HCl)溶液中反应3h，使得NiO完全去除，得到三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料；
S05，对三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料进行清洗干燥，用去离子水洗涤5次，并在真空条件下以80℃干燥2h，最后再将其放在流动的氩气环境中，以2℃/min的升温速率，经850℃煅烧2h。
本发明提供的控制硅膨胀空隙的三维Si/石墨烯/碳纳米复合材料，由于其可以精确的控制硅在充放电过程的膨胀空隙，使得到每个硅纳米颗粒在充放电过程中都可以自由膨胀，可以保持电极结构的完整性。同时SEI膜在石墨烯/碳基外表面形成而不是在硅纳米颗粒表面形成，这样既保证SEI 层的稳定性又不损耗电极材料；再者该三维多孔结构可以缩短锂离子扩散的运输途径，增大了电极和电解质的接触面积，并允许锂离子渗透到电极的内层区域，实现了电极材料高利用率，所以Si/石墨烯/碳纳米复合材料直接应用于锂离子电池的负极材料，可以制备出比容量高、循环稳定性好、倍率性好的超稳定的锂离子电池。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：对硅纳米颗粒进行原子层沉积处理，在硅纳米颗粒表面生长精准厚度的NiO包覆层，得到Si/NiO纳米复合材料；对Si/NiO纳米复合材料进行静电纺丝处理，得到Si/NiO/石墨烯复合材料；对Si/NiO/石墨烯复合材料进行干燥煅烧，得到Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料；对Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料进行酸处理，完全去除NiO，得到三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料；对三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料进行清洗干燥。
2.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述原子层沉积处理为将硅纳米颗粒放进原子层沉积反应室，顺序通入Ni(dmamp)2和臭氧在温度250℃-300℃下进行反应，形成厚度为5-50nm的NiO包覆层。
3.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述硅纳米颗粒的粒径为1-100nm，纯度为99.99％。
4.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝处理为首先将Si/NiO纳米复合材料、高分子聚合物、N，N-二甲基甲酰胺和石墨烯按质量比为30:10:500:1–80:30:500:1进行混合，在40–80℃下用磁力搅拌棒搅拌一晚上，得到静电纺丝前驱液；其次将静电纺丝前驱液超声90-180min，得到均匀的悬浮液；再将静电纺丝前驱液注入内径约为0.3-0.8mm的不锈钢喷嘴的注射器中，调整喷嘴和接收装置的距离为10-20cm，喷嘴和接收装置分别连接高压直流电源的两个电极；最后施加10-20KV的电压并以1-4mL/h的流速进行静电纺丝，形成Si/NiO/石墨烯复合材料。
5.根据权利要求4所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述高分子聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
6.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述干燥煅烧为将Si/NiO/石墨烯复合材料在真空条件下干燥20-30h，然后在流动的氩气环境中，以1-5℃/min的升温速率，经400℃煅烧2-4h，形成Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料。
7.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述酸处理为将Si/NiO/石墨烯/碳纳米复合材料放入1-5M的盐酸溶液中反应2-5h，使得NiO完全去除。
8.根据权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：所述清洗干燥为将三维的Si/石墨烯/碳纳米复合材料用去离子水洗涤3-5次，并在真空条件下以60-100℃干燥1-3h；最后将其放在流动的氩气环境中，以1-5℃/min的升温速率，经600℃-900℃煅烧2-4h。
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