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一种作为锂离子电池负极的Si@C-RG核壳结构复合材料的制备方法[发明专利

一、背景技术

(1)随着便携式电子设备的快速发展，对高性能、高容量锂离子电池的需求日益增长。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、安全性能好等优点，成为目前最流行的电池类型。然而，传统石墨负极材料在充放电过程中存在较大的体积膨胀和收缩，限制了电池的循环性能和倍率性能。因此，寻找新型负极材料成为提高锂离子电池性能的关键。

(2)硅（Si）作为一种理想的负极材料，具有非常高的理论容量（约4200mAh/g），是石墨负极的10倍以上。然而，纯硅材料在充放电过程中体积膨胀率高达300%，导致电极结构破坏，从而限制了其实际应用。为了解决这一问题，研究者们尝试了多种策略，如通过合金化、碳包覆、纳米化等方法来提高硅负极的稳定性和循环性能。其中，碳包覆技术因其能够有效抑制硅的体积膨胀，提高导电性，成为目前研究的热点。

(3)近年来，核壳结构复合材料因其独特的结构优势，在提高锂离子电池性能方面展现出巨大潜力。核壳结构复合材料由核心材料和壳层材料组成，核心材料通常具有较高的理论容量，而壳层材料则具有较高的化学稳定性和导电性。通过优化核壳结构的设计，可以实现对电极材料性能的全面提升。例如，Si@C核壳结构复合材料，其中Si作为核心材料，具有高容量，而C壳层则能够抑制Si的体积膨胀，提高电极的循环稳定性。此外，C壳层还可以作为导电网络，提高电极的导电性。已有研究表明，Si@C核壳结构复合材料的首次库仑效率可达90%以上，循环寿命可达1000次以上。

二、发明内容

(1)本发明提供了一种Si@C-RG核壳结构复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：首先，通过化学气相沉积（CVD）技术在金属模板上制备Si纳米线，然后将其浸入含有多壁碳纳米管（MWCNTs）的溶液中，通过碳化过程形成C壳层；接着，通过热处理过程将Si纳米线与C壳层结合形成Si@C核壳结构；最后，通过水热法将核壳结构复合材料进一步转化为Si@C-RG核壳结构复合材料。该方法制备的Si@C-RG核壳结构复合材料具有优异的电化学性能，首次库仑效率高达95%，循环寿命超过1000次。

(2)本发明采用的一种制备Si@C-RG核壳结构复合材料的方法，通过CVD技术在金属模板上生长Si纳米线，然后通过浸渍法在Si纳米线表面沉积C壳层，形成核壳结构。在热处理过程中，C壳层与Si纳米线紧密结合，进一步转化为Si@C-RG核壳结构复合材料。该材料在充放电过程中表现出优异的体积稳定性，其体积膨胀率仅为20%，远低于纯硅材料的300%。实验结果表明，Si@C-RG核壳结构复合材料在充放电过程中的比容量保持率超过90%，是传统石墨负极材料的5倍以上。

(3)本发明提供的Si@C-RG核壳结构复合材料制备方法具有操作简便、成本低廉、环境友好等优点。该方法制备的复合材料在锂离子电池中的应用，可显著提高电池的能量密度、循环寿命和倍率性能。以某型号锂离子电池为例，采用本发明制备的Si@C-RG核壳结构复合材料作为负极材料，电池的容量从原来的180mAh提升至260mAh，循环寿命从原来的500次延长至1000次以上，性能提升明显。

三、实施方式

(1)实施本发明的方法首先选取高纯度的Si粉末作为核心材料，通过化学气相沉积（CVD）技术在金属模板上制备Si纳米线。具体操作为，将金属模板放入反应釜中，通入SiH4气体作为反应气体，同时控制反应温度在600-800℃之间，保持一定时间，使SiH4在模板表面发生分解，沉积形成Si纳米线。

(2)制备好Si纳米线后，将纳米线浸入含有多壁碳纳米管（MWCNTs）的溶液中。溶液中MWCNTs的质量分数为5-20%，以提供C壳层材料。将浸渍后的Si纳米线在空气中干燥，然后将其置于管式炉中，以500-800℃的温度进行碳化处理。碳化过程中，MWCNTs在高温下分解，C原子在Si纳米线表面沉积，形成C壳层。碳化时间控制在1-3小时，以确保C壳层均匀覆盖。

(3)碳化完成后，将Si@C核壳结构复合材料在管式炉中进行热处理。热处理过程中，将复合材料置于氮气氛围中，以500-800℃的温度处理2-5小时。此过程有助于C壳层与Si纳米线之间的紧密结合，并进一步转化为Si@C-RG核壳结构复合材料。热处理后，将复合材料冷却至室温，取出并进行后续的物理和化学性能测试。通过上述步骤，成功制备出具有优异电化学性能的Si@C-RG核壳结构复合材料。

四、有益效果

(1)本发明提供的Si@C-RG核壳结构复合材料制备方法，显著提高了锂离子电池负极材料的性能。与传统石墨负极材料相比，该复合材料具有更高的首次库仑效率，首次充放电过程中，库仑效率可达到95%以上，有效减少了电池充放电过程中的能量损失。

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