本發(fā)明屬于鋰離子電池，具體涉及一種碳硅納米纖維負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池的商業(yè)化極大地推動(dòng)了便攜式電子產(chǎn)品市場的成長，但隨著鋰離子電池使用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，現(xiàn)有體系的能量密度和功率密度已經(jīng)難以滿足大型動(dòng)力蓄電的要求。此外，傳統(tǒng)鋰離子電池?zé)o法同時(shí)兼顧柔性及電化學(xué)性能，表現(xiàn)為柔性化后倍率性能低，循環(huán)壽命短。電極是鋰離子電池的重要組成部分，開發(fā)先進(jìn)的柔性電極是關(guān)鍵問題之一。傳統(tǒng)的鋰離子電池負(fù)極多為剛性材料，典型的負(fù)極材料是在銅箔上涂覆活性顆粒，這類負(fù)極材料中活性顆粒易從集流體銅箔上脫落，且電極制備中需要添加粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等。與之相比，鋰離子電池柔性自支撐負(fù)極材料具有重量輕、機(jī)械穩(wěn)定性好、無需使用粘結(jié)劑等優(yōu)點(diǎn)，且制備過程相對(duì)簡單，未來將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

2、負(fù)極材料是鋰離子電池關(guān)鍵部件之一，其在充放電過程中發(fā)生脫/嵌鋰反應(yīng)，直接影響電池性能。近些年來對(duì)于鋰離子負(fù)極材料的研究主要有：石墨化炭材料、無定形炭材料、氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金、納米氧化物和其他材料。其中，硅基材料是在研負(fù)極材料中理論比容量最高的研究體系，理論比容量高達(dá)為，因其低嵌鋰電位、低原子質(zhì)量、高能量密度，被認(rèn)為是碳負(fù)極材料的替代性產(chǎn)品。然而，硅負(fù)極由于其在嵌脫鋰循環(huán)過程中具有嚴(yán)重的體積膨脹和收縮，造成材料結(jié)構(gòu)的破壞和機(jī)械粉碎，從而導(dǎo)致電極表現(xiàn)出較差的循環(huán)性能。碳納米纖維(carbon?nanofibers,?cnfs)?作為新型碳材料廣泛應(yīng)用于鋰離子電池研究中，其具有較高的長徑比，可有效提高充放電速率.?但在高電流密度下進(jìn)行長時(shí)間循環(huán)時(shí)，cnfs?結(jié)構(gòu)嚴(yán)重坍塌，導(dǎo)致不可逆的容量損失，難以在大功率設(shè)備上應(yīng)用。

3、雖然通過硅顆粒與碳纖維復(fù)合可有效提升負(fù)極的電化學(xué)性能，然而，直接以硅納米顆粒與碳纖維的復(fù)合形式在電化學(xué)反應(yīng)過程中依然存在著諸多問題，如循環(huán)性能較差，如發(fā)明專利cn?113097469?a公開了一種si/sic/c納米纖維膜，其用作鋰離子電池的負(fù)極時(shí)在電流密度下循環(huán)200圈后僅保持的容量?；诖?，亟待開發(fā)更多具有高電池比容量和循環(huán)穩(wěn)定性的自支撐負(fù)極材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種碳硅納米纖維負(fù)極材料及其制備方法，其可作為鋰電池自支撐負(fù)極材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)電池比容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

2、一種碳硅納米纖維負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

3、步驟1：改性sio2納米顆粒的制備

4、將sio2納米顆粒、金屬離子液體和有機(jī)溶劑加入反應(yīng)器中，超聲攪拌，減壓蒸餾除去有機(jī)溶劑，然后真空干燥得到改性sio2納米顆粒；

5、步驟2：電紡絲溶液的制備

6、將聚丙烯腈溶解于 n, n-二甲基甲酰胺中，攪拌均勻；然后加入步驟1所得改性sio2納米顆粒，經(jīng)磁力攪拌、超聲波處理得到均勻的電紡絲溶液；

7、步驟3：碳硅納米纖維負(fù)極材料的制備

8、將步驟2所得電紡絲溶液吸入注射泵中進(jìn)行同軸靜電紡絲得到碳硅納米纖維墊；然后將碳硅納米纖維墊放入馬弗爐中，在空氣氛圍中以2~5℃/min的速度升溫到200~250℃，保溫1~5?h后冷卻至室溫得到預(yù)氧化納米纖維墊；最后將上述預(yù)氧化納米纖維墊放入管式爐中，在氮?dú)夥諊幸?~8℃/min的速度升溫到800~1000℃，保溫1~5?h后冷卻至室溫，得到碳硅納米纖維負(fù)極材料；

9、步驟1所述金屬離子液體的結(jié)構(gòu)為：。

10、在一些實(shí)施方案中，步驟1所述有機(jī)溶劑選自甲醇、乙醇和異丙醇中的一種或多種。

11、在一些實(shí)施方案中，步驟1所述sio2納米顆粒與金屬離子液體的質(zhì)量比為1:(0.1~0.5)；步驟1所述超聲攪拌的溫度為50~100℃、時(shí)間為1~5h。

12、在一些實(shí)施方案中，步驟2所述聚丙烯腈與改性sio2納米顆粒的質(zhì)量比為1:(1.0~2.0)。

13、在一些實(shí)施方案中，步驟3所述注射泵的容量為5~10ml；注射泵供液速率為0.5~0.1?ml/h，接收器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為100~500?r/min，接收距離為10~20?cm，紡絲電壓為15~20kv。

14、在一些實(shí)施方案中，步驟1所述金屬離子液體的制備方法包括以下步驟：

15、步驟1：將吡啶、1,4-二氯丁烷和乙腈加入反應(yīng)器中，升溫至50~80?°c下攪拌反應(yīng)12~24?h；反應(yīng)畢，向反應(yīng)混合液中加入乙酸乙酯，然后離心純化得淡黃色液體，將淡黃色液體真空干燥得到中間體化合物di-[etpy]/2cl；

16、步驟2：將步驟1制備得到的中間體化合物di-[etpy]/2cl加入反應(yīng)器中，然后加入sncl4·5h2o，升溫至60~90℃攪拌反應(yīng)5~12h；反應(yīng)畢，將反應(yīng)混合物真空干燥得金屬離子液體；

17、反應(yīng)路線為：

18、，

19、。

20、本發(fā)明還保護(hù)上述方法制備得到的碳硅納米纖維負(fù)極材料，及包含上述碳硅納米纖維的鋰離子電池。

21、本發(fā)明取得了以下有益效果：

22、1）本發(fā)明制備得到的碳硅納米纖維可直接作為鋰電池自支撐負(fù)極材料，不需要粘結(jié)劑及導(dǎo)電劑，且具有高電池比容量、高循環(huán)穩(wěn)定性等性能；

23、2）本發(fā)明金屬離子液體的陰離子cl-與sio2?納米顆粒的si-oh?相互作用從而改變顆粒與電紡絲液的界面，提高sio2?納米顆粒在電紡絲溶液中的分散能力。且離子液體的引入可以提高負(fù)極材料碳納米纖維的表面積，有利于增強(qiáng)電解液對(duì)于負(fù)極材料的浸潤性，減小鋰離子的傳輸距離和增大電子的傳輸速度，緩解負(fù)極材料體積膨脹引起的應(yīng)力集中，提高負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性；

24、3）金屬離子液體中n、sn的摻入可以提高負(fù)極材料的電導(dǎo)率與儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)，增強(qiáng)負(fù)極材料的電化學(xué)性能。

技術(shù)特征：

1.一種碳硅納米纖維負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1所述有機(jī)溶劑選自甲醇、乙醇和異丙醇中的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1所述sio2納米顆粒與金屬離子液體的質(zhì)量比為1:(0.1~0.5)；步驟1所述超聲攪拌的溫度為50~100℃、時(shí)間為1~5h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2所述聚丙烯腈與改性sio2納米顆粒的質(zhì)量比為1:(1.0~2.0)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3所述注射泵的容量為5~10ml；注射泵供液速率為0.5~0.1?ml/h，接收器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為100~500?r/min，接收距離為10~20cm，紡絲電壓為15~20?kv。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟1所述金屬離子液體的制備方法包括以下步驟：

7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的碳硅納米纖維負(fù)極材料。

8.一種鋰離子電池，其包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳硅納米纖維負(fù)極材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳硅納米纖維負(fù)極材料及其制備方法。其方法包括改性SiO2納米顆粒的制備、電紡絲溶液的制備以及碳硅納米纖維負(fù)極材料的制備。本發(fā)明制備得到的碳硅納米纖維可直接作為鋰電池自支撐負(fù)極材料，不需要粘結(jié)劑及導(dǎo)電劑，且具有高電池比容量、高循環(huán)穩(wěn)定性等性能。

技術(shù)研發(fā)人員：楊明,胡曉陽,劉丹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州澤相科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8