一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下重量份数的原料：包覆有机模板的纳米硅粉体50‑80份、TiO2纳米纤维粉体10‑20份、氮化促进剂0.5‑2份、去离子水300‑500和非离子表面活性剂1‑3份；包覆有机模板的纳米硅粉体包括有以下重量份数的原料：纳米硅粉20‑30份、脂肪酸4‑10份、有机溶剂10‑20份；脂肪酸为含有12‑18个碳原子的直链或者带支链的脂肪酸。本发明还提供上述多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法。本发明提供的多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其多孔包覆层有效缓冲了纳米硅的体积膨胀并且保持硅材料具有高导电特性，提升锂离子的迁移率，且有效避免了硅负极与电解液直接接触，可在复合硅负极表面形成坚固的SEI膜，大大提升了硅材料的循环性能。

权利要求

1.一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其特征在于，包括以下重量份数的原料：包覆有机模板的纳米硅粉体50‑80份、TiO2纳米纤维粉体10‑20份、氮化促进剂0.5‑2份、去离子水

300‑500份和非离子表面活性剂1‑3份；

所述包覆有机模板的纳米硅粉体包括有以下重量份数的原料：纳米硅粉20‑30份、脂肪酸4‑10份、有机溶剂10‑20份；

所述脂肪酸为含有12‑18个碳原子的直链或者带支链的脂肪酸；

所述氮化促进剂包括纳米氮化钛粉体、金属钛粉体或氢化钛粉体中的一种或者几种；

制备所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的方法，包括以下步骤：(1)按重量计，将纳米硅粉、脂肪酸和有机溶剂混合均匀，50‑80℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于25‑50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为0.5‑2h，得到包覆有机模板 的纳米硅粉体；

(2)按照质量比为2:1‑5:1，将钛酸酯溶液与聚乙烯吡咯烷酮溶液混匀作为静电纺丝原液，由微量注射装置控制静电纺丝原液的挤出，微量注射装置的喷口与电源的阴极相连，与电源阳极相连的覆盖有铝箔层的金属板作为纺丝接收装置，进行静电纺丝，得到TiO2纳米纤维；反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维进行煅烧，煅烧的温度为400‑500℃，煅烧的时间为3‑8h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

(3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体、TiO2纳米纤维粉体、氮化促进剂、去离子水混合均匀，进行球磨，球磨转速为500‑1000转/min，球磨时间为2‑8h，再加入非离子表面活性剂，于1000‑1500r/min转速下高速分散1‑4h后，再经过80‑90℃减压干燥得到多孔前驱体粉体；

(4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为50‑

2000mL/min，以4‑10℃/min的速度升温至900‑1200℃，保持2‑8h，接着在氮气或氩气气氛下冷却至室温，得到多孔导电陶瓷复合的硅负极材料。

2.根据权利要求1所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其特征在于：所述有机溶剂是酯类或者酮类溶剂。

3.根据权利要求1所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述钛酸酯溶液的制备方法包括以下步骤：以乙醇和乙酸的混合液为溶剂，加入钛酸酯后制备获得。

4.根据权利要求3所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述钛酸酯选自正钛酸乙酯、正钛酸异丙酯和正钛酸丁酯中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述乙醇与乙酸的混合液中，乙醇与乙酸的体积比为1:1。

6.根据权利要求1所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的制备方法包括以下步骤：以乙醇为溶剂，加入聚乙烯吡咯烷酮后制备获得。

7.根据权利要求6所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为1,300,000。

8.根据权利要求1所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述静电纺丝原液的流速为4‑20mL/h；所述电源的电压为2‑4万伏，所述微量注射装置的喷口距离所述覆盖有铝箔层的金属板的距离为15‑30cm。

9.根据权利要求1所述的一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述氮化促进剂的粒度小于100nm。

说明书

一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电极材料的制备技术领域，具体涉及一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 目前市场上锂离子电池常用的负极材料主要是石墨类材料，如天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球等，但是碳负极材料理论容量仅为372mAh/g；并且，这种材料的嵌锂
电位主要集中在0‑0.1V范围内，非常接近金属锂的沉积电势，不利于电池的安全性，而钛酸
锂负极材料最大的问题就是理论容量较低，容易产生胀气，不符合动力电池发展趋势。

[0003] 硅被认为最有可能替代石墨的新型负极材料之一，因为硅的理论比容量为4200mAh/g，远高于石墨材料的比容量，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时不会引起表
面析锂，安全性能更好，另外硅的来源广泛，存储丰富，如专利CN111115638A公开了一种硅
基负极材料的制备方法。但是硅负极也面临严重的问他，首先，硅自身的电导率较低，不能
直接作为负极材料使用；其次，硅材料使用过程中体积变化大(约300％)，从而易使材料逐
渐粉化，造成结构坍陷，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环
性能大大降低；伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅
的腐蚀和容量衰减。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于解决锂电池中硅负极材料电导率低及易发生体积膨胀失效的问题。

[0005] 本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

[0006] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下重量份数的原料：包覆有机模板的纳米硅粉体50‑80份、TiO2纳米纤维粉体10‑20份、氮化促进剂0.5‑2份、去离子水300‑500份
和非离子表面活性剂1‑3份；

[0007] 所述包覆有机模板的纳米硅粉体包括有以下重量份数的原料：纳米硅粉20‑30份、脂肪酸4‑10份、有机溶剂10‑20份；

[0008] 所述脂肪酸为含有12‑18个碳原子的直链或者带支链的脂肪酸。

[0009] 本发明提供的多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其多孔包覆层有效缓冲了纳米硅的体积膨胀并且保持硅材料具有高导电特性，提升锂离子的迁移率，且有效避免了硅负极与
电解液直接接触，可在复合硅负极表面形成坚固的SEI膜，大大提升了硅材料的循环性能。

[0010] 优选地，所述有机溶剂是酯类或者酮类溶剂。

[0011] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

[0012] (1)按重量计，将纳米硅粉、脂肪酸和有机溶剂混合均匀，50‑80℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于25‑50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为0.5‑2h，得到包覆有
机模版的纳米硅粉体；

[0013] (2)按照质量比为2:1‑5:1，将钛酸酯溶液与聚乙烯吡咯烷酮溶液混匀作为静电纺丝原液，由微量注射装置控制静电纺丝原液的挤出，微量注射装置的喷口与电源的阴极相
连，与电源阳极相连的覆盖有铝箔层的金属板作为纺丝接收装置，进行静电纺丝，得到TiO2
纳米纤维；反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维进行煅烧，煅烧的温度为400‑500℃，煅烧的
时间为3‑8h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

[0014] (3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体、TiO2纳米纤维粉体、氮化促进剂、去离子水混合均匀，进行球磨，球磨转速为500‑1000转/min，球磨时间为2‑8h，再加入非离子
表面活性剂，于1000‑1500r/min转速下高速分散1‑4h后，再经过80‑90℃减压干燥得到多孔
前驱体粉体；

[0015] (4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为50‑2000mL/min，以4‑10℃/min的速度升温至900‑1200℃，保持2‑8h，接着在氮气或氩气气氛下
冷却至室温，得到多孔导电陶瓷复合的硅负极材料。

[0016] 进一步地，所述钛酸酯溶液的制备方法包括以下步骤：以乙醇和乙酸的混合液为溶剂，加入钛酸酯后制备获得。

[0017] 进一步地，所述钛酸酯选自正钛酸乙酯、正钛酸异丙酯和正钛酸丁酯中的至少一种。

[0018] 进一步地，所述乙醇与乙酸的混合液中，乙醇与乙酸的体积比为1:1。

[0019] 进一步地，所述聚乙烯吡咯烷酮溶液的制备方法包括以下步骤：以乙醇为溶剂，加入聚乙烯吡咯烷酮后制备获得。

[0020] 进一步地，所述聚乙烯吡咯烷酮的数均分子量为1,300,000。

[0021] 进一步地，所述静电纺丝原液的流速为4‑20mL/h；所述电源的电压为2‑4万伏，所述微量注射装置的喷口距离所述覆盖有铝箔层的金属板的距离为15‑30cm。

[0022] 进一步地，所述氮化促进剂包括纳米氮化钛粉体、金属钛粉体或氢化钛粉体中的一种或者几种；所述氮化促进剂的粒度小于100nm。

[0023] 本发明具有如下的有益效果：

[0024] 1、本发明提供的多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其多孔包覆层有效缓冲了纳米硅的体积膨胀并且保持硅材料具有高导电特性，提升锂离子的迁移率，且有效避免了硅负极
与电解液直接接触，可在复合硅负极表面形成坚固的SEI膜，大大提升了硅材料的循环性
能。

[0025] 2、本发明制备的多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其多孔导电陶瓷包覆层具有空隙率高，孔径分布均匀，结构可控，同时具有优异机械性能、良好导电性能以及较强的电化学
稳定性和耐腐蚀性。

具体实施方式

[0026] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部
分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出
创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

[0028] 实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

[0029] 实施例1

[0030] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下步骤：

[0031] (1)按重量计，将纳米硅粉20份、脂肪酸4份和乙酸乙酯10份混合均匀，60℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为1h，得到包覆有
机模版的纳米硅粉体；

[0032] (2)将1.5g正钛酸异丙酯加入到3mL乙醇和3mL乙酸的混合溶液中，充分搅拌，然后加入到溶有0.45g聚乙烯吡咯烷酮(PVP数均分子量1,300，000)的7.5mL乙醇中，磁力搅拌
15min，将所得溶液吸入塑料注射器中，流速控制为4mL/h，不锈钢针头与高压电源的阳极相
连，电压设置为3万伏，针头到接收板的距离为25cm；反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维进
行500℃下煅烧4h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

[0033] (3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体50份、TiO2纳米纤维粉体10份、纳米氮化钛粉末0.5份、去离子水300份混合均匀，进行球磨，球磨转速为1000转/min，球磨时间
为5h，再加入非离子表面活性剂1份，于1200r/min转速下高速分散2h后，再经过90℃减压干
燥得到多孔前驱体粉体；

[0034] (4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为150mL/min，以4℃/min的速度升温至900℃，保持8h，接着在氮气气氛下冷却至室温，得到多
孔导电陶瓷复合硅负极材料。

[0035] 实施例2

[0036] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下步骤：

[0037] (1)按重量计，将纳米硅粉30份、硬脂酸10份、乙酸乙酯20份混合均匀，60℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为1h，得到包覆有
机模版的纳米硅粉体；

[0038] (2)将1.5g正钛酸乙酯加入到5mL乙醇和5mL乙酸的混合溶液中，充分搅拌，然后加入到溶有0.78g聚乙烯吡咯烷酮(PVP数均分子量1,300，000)的9mL乙醇中，磁力搅拌25min，
将所得溶液吸入塑料注射器中，流速控制为6mL/h，不锈钢针头与高压电源的阳极相连，电
压设置为2.5万伏，针头到接收板的距离为18cm；反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维进行
500℃下煅烧4h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

[0039] (3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体70份、TiO2纳米纤维粉体20份、金属钛粉1份、去离子水500份混合均匀，进行球磨，球磨转速为1000转/min，球磨时间为5h，再加
入非离子表面活性剂2份，于1200r/min转速下高速分散2h后，再经过90℃减压干燥得到多
孔前驱体粉体；

[0040] (4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为500mL/min，以8℃/min的速度升温至1000℃，保持2h，接着在氩气气氛下冷却至室温，得到
多孔导电陶瓷复合的硅负极材料。

[0041] 实施例3

[0042] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下步骤：

[0043] (1)按重量计，将纳米硅粉25份、硬脂酸5份、丙酮15份混合均匀混合均匀，60℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为1h，得到包
覆有机模版的纳米硅粉体；

[0044] (2)将2.5g正钛酸丁酯加入到7mL乙醇和7mL乙酸的混合溶液中，充分搅拌，然后加入到溶有0.85g聚乙烯吡咯烷酮(PVP数均分子量1,300，000)的12mL乙醇中，磁力搅拌
50min，将所得溶液吸入塑料注射器中，流速控制为5mL/h，不锈钢针头与高压电源的阳极相
连，电压设置为3.5万伏，针头到接收板的距离为25cm。反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维
进行500℃下煅烧4h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

[0045] (3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体80份、TiO2纳米纤维粉体15份、氢化钛粉体2份、去离子水400份混合均匀，进行球磨，球磨转速为1000转/min，球磨时间为5h，再
加入非离子表面活性剂3份，于1200r/min转速下高速分散2h后，再经过80℃减压干燥得到
多孔前驱体粉体；

[0046] (4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为2000mL/min，以10℃/min的速度升温至1200℃，保持5h，接着在氩气气氛下冷却至室温，得
到多孔导电陶瓷复合的硅负极材料。

[0047] 实施例4

[0048] 一种多孔导电陶瓷复合硅负极材料，包括以下步骤：

[0049] (1)按重量计，将纳米硅粉20份、硬脂酸8份和乙酸乙酯15份混合均匀，60℃下升温回流，放冷后，将固体物滤出，于50℃下减压蒸出有机溶剂，减压蒸出时间为1h，得到包覆有
机模版的纳米硅粉体；

[0050] (2)将1.0g正钛酸异丙酯加入到5mL乙醇和5mL乙酸的混合溶液中，充分搅拌，然后加入到溶有0.25g聚乙烯吡咯烷酮(PVP数均分子量1,300，000)的8mL乙醇中，磁力搅拌
30min，将所得溶液吸入塑料注射器中，流速控制为4mL/h，不锈钢针头与高压电源的阳极相
连，电压设置为2万伏，针头到接收板的距离为15cm。反应完成后，将得到的TiO2纳米纤维进
行400℃下煅烧5h，得到锐钛矿型TiO2纳米纤维；

[0051] (3)按重量计，将包覆有机模板的纳米硅粉体60份、TiO2纳米纤维粉体15份、氮化钛粉体1份、去离子水400份混合均匀，进行球磨，球磨转速为1000转/min，球磨时间为5h，再
加入非离子表面活性剂2份，于1200r/min转速下高速分散2h后，再经过80℃减压干燥得到
多孔前驱体粉体；

[0052] (4)将步骤(3)中制得的多孔前驱体粉体置于氨气气氛炉中，氨气通入流速为1000mL/min，以6℃/min的速度升温至1100℃，保持6h，接着在氮气气氛下冷却至室温，得到
多孔导电陶瓷复合的硅负极材料。

[0053] 实施例5

[0054] 采用扣式电池来研究负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，将活性物质：SP：CMC：SBR＝85:5:5:5混合物调制成固含量为45％的浆料，然后将浆料均匀涂敷
于铜箔上，放入烘箱中，80℃真空干燥12h，取出进行切片辊压，再80℃真空干燥12h，制得实
验电池用极片；以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/LLiPF6的EC和DMC(体积比为1:1)
的溶液，隔膜为celgard2000膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2016型扣式电池。

[0055] 对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截止电压为0.01‑2.0V，充放电倍率为0.1C，具体充放电数据见表1。

[0056] 表1为实施例1‑4制备的多孔导电陶瓷复合硅负极材料的电化学性能结果

[0057]

[0058] 综上，本发明提供的多孔导电陶瓷复合硅负极材料，其多孔包覆层有效缓冲了纳米硅的体积膨胀并且保持硅材料具有高导电特性，提升锂离子的迁移率，且有效避免了硅
负极与电解液直接接触，可在复合硅负极表面形成坚固的SEI膜，大大提升了硅材料的循环
性能。

[0059] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者
替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。