CN113594434B - 一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法 - Google Patents

一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蒲公英状核壳结构硅‑草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法。转换型草酸盐负极材料具有较高的可逆容量、高效的稳定性及较小的体积变化率，并且理论容量相对较高。在大颗粒的硅粒子上包覆一层草酸盐材料，通过使用添加剂，使草酸盐自分裂形成一个蒲公英状的外壳，包裹住硅粒子，遏制硅的膨胀的同时，还获得高容量的负极电池材料。

Description

一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备 方法
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法。
背景技术
全球能源危机让人们对能源的可持续发展引发密切的关注，如何高效的转换利用清洁能源，硅作为地球含量最丰富的能量之一，不仅具有很高的比容量，而且环保，对环境友好；金属草酸盐等过渡金属化合物，具有较高的可逆容量、高效的循环稳定性。硅作为锂离子负极电池材料，具有较高的比容量（4200 mAh g-1）。转换型草酸盐负极材料具有较高的可逆容量、高效的稳定性及较小的体积变化率，并且理论容量相对较高。目前，解决锂离子电池硅负极材料体积膨胀的方法主要有形貌控制，如硅颗粒造孔和以多孔碳封装缓冲硅颗粒体积膨胀为代表的硅碳复合改性手段。虽然，这两种策略都能显著改善硅负极材料电化学性能和遏制硅颗粒体积膨胀，但是昂贵的原材料和高端实验设备的应用成为实际工业化路途上的一个阻碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法，本发明的目的是通过以下步骤实现的，
步骤（1）：取一定量的二水合草酸和 CO(NH2)2溶解于乙二醇得到混合溶液，其中二水合草酸：CO(NH2)2：乙二醇的质量比为：2.35~12：0.75~3：125~500；
步骤（2）：另取金属盐， C6H8O6，溶于去离子水；混合搅拌10 - 50 min 至金属盐溶解完全得到混合溶液，其中金属盐：C6H8O6：去离子水的质量比为：3~6：1~4：50；
步骤（3）：将步骤（2）的混合溶液转移至步骤（1）的混合溶液中搅拌10 - 50 min后，转移至100摄氏度油浴锅恒温5 – 8 h制备过渡金属草酸盐；
步骤（4）：称量一定量的硅粒子，粒径为20~60nm，放于去离子水中混匀，放入超声机中分散2h，然后将其加入步骤（3）中的过渡金属草酸盐中进行混合，搅拌4h，得到混合液体，其中硅：过渡金属草酸盐：去离子水的质量比为：1：1~4：50；
步骤（5）：将上述混合液体中加入添加剂，使草酸盐生长在硅粒子上，得到蒲公英状核壳结构的硅-草酸亚铁锂离子电池材料。。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用简单、易获取的设备和廉价的金属盐辅助制备了一种在大颗粒的硅粒子上包覆一层草酸盐材料的手段，通过使用添加剂，使草酸盐自分裂形成一个蒲公英状的外壳，包裹住硅粒子，遏制硅的膨胀的同时，还获得高容量的负极电池材料。本发明是利用过渡金属草酸盐丰富的活性位点和三维结构在硅颗粒表面外包覆形成一层高储锂容量、高弹性外壳，有效避免了硅颗粒的充放电过程中的团聚的同时还避免由于大量锂嵌入硅颗粒引发的体积膨胀。
附图说明
图1是硅粒子与草酸盐复合的蒲公英状扫描电镜图，其中，（a）为硅粒子与草酸盐复合的蒲公英状的扫描电镜图，（b）为图（a）中硅粒子与草酸盐复合的蒲公英状材料对应的总元素分布图；（c），（d），（e），（f）分别对应图（a）中单一元素分布图：其中（c）为铁元素分布图,（d）为硅元素分布图,（e）为碳元素分布图,（f）为氧元素分布图；
图2是过渡金属草酸盐与硅复合电化学循环图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤（1）：取一定量的二水合草酸和 CO(NH2)2溶解于乙二醇得到混合溶液，其中二水合草酸：CO(NH2)2：乙二醇的质量比为：2.35~12：0.75~3：125~500；
步骤（2）：另取金属盐， C6H8O6，溶于去离子水；混合搅拌10 - 50 min 至金属盐溶解完全得到混合溶液，其中金属盐：C6H8O6：去离子水的质量比为：3~6：1~4：50；
步骤（3）：将步骤（2）的混合溶液转移至步骤（1）的混合溶液中搅拌10 - 50 min后，转移至100摄氏度油浴锅恒温5 – 8 h制备过渡金属草酸盐；
步骤（4）：称量一定量的硅粒子，粒径为20~60nm，放于去离子水中混匀，放入超声机中分散2h，然后将其加入步骤（3）中的过渡金属草酸盐中进行混合，搅拌4h，得到混合液体，其中硅：过渡金属草酸盐：去离子水的质量比为：1：1~4：50；
步骤（5）：将上述混合液体中加入添加剂，使草酸盐生长在硅粒子上，得到蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料。
所述的添加剂为硫酸亚铁、硝酸亚铁中的一种。
步骤（5）中的添加剂的用量与硅与金属盐质量比为1：4。
步骤（4）中的硅粒子的用量为0.2-1.0克。
实施例1
一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法如下：
步骤（1）：取一定量的二水合草酸和 CO(NH2)2溶解于乙二醇得到混合溶液，其中二水合草酸：CO(NH2)2：乙二醇的质量比为：3：1：150；
步骤（2）：另取七水合过渡金属盐，C6H8O6，溶于去离子水；混合搅拌30min，得到混合溶液，其中七水合过渡金属盐：C6H8O6：去离子水的质量比为：3：1：50；
步骤（3）：将步骤（2）得到的混合溶液转移至步骤（1）的混合溶液中搅拌30min后，转移至100摄氏度油浴锅恒温7h制备过渡金属草酸盐；
步骤（4）：称量一定量的硅粒子（20~60nm）放于去离子水中混匀，放上超声机中分散2h，加入步骤（3）中的草酸盐进行混合，搅拌4h，得到混合液体，其中硅：草酸盐：去离子水的质量比为：1：1：50；
步骤（5）：将上述混合液体中加入硝酸亚铁，使草酸盐生成草酸亚铁在硅粒子上自分裂，形成蒲公英状的草酸亚铁与硅的复合负极锂电池材料。

Claims (2)

1.一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤（1）：取一定量的二水合草酸和 CO(NH2)2溶解于乙二醇得到混合溶液，其中二水合草酸：CO(NH2)2：乙二醇的质量比为：2.35~12：0.75~3：125~500；
步骤（2）：另取金属盐， C6H8O6，溶于去离子水；混合搅拌10 - 50 min 至金属盐溶解完全得到混合溶液，其中金属盐：C6H8O6：去离子水的质量比为：3~6：1~4：50；
步骤（3）：将步骤（2）的混合溶液转移至步骤（1）的混合溶液中搅拌10 - 50 min后，转移至100摄氏度油浴锅恒温5 – 8 h制备过渡金属草酸盐；
步骤（4）：称量一定量的硅粒子，粒径为20~60nm，放于去离子水中混匀，放入超声机中分散2h，然后将其加入步骤（3）中的过渡金属草酸盐中进行混合，搅拌4h，得到混合液体，其中硅：过渡金属草酸盐：去离子水的质量比为：1：1~4：50；
步骤（5）：将上述混合液体中加入添加剂，使草酸盐生长在硅粒子上，得到蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料；
所述的添加剂为硫酸亚铁、硝酸亚铁中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种蒲公英状核壳结构硅-草酸亚铁锂离子电池材料的制备方法，其特征在于步骤（4）中的硅粒子的用量为0.2-1.0克。
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