[發(fā)明專利]一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710508917.6
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107195890B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發(fā)明（設計）人: 徐立強;何妍妍;徐剛
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 韓獻龍

本發(fā)明涉及一種高性能鋰離子電池負極Si@N?C復合材料及其制備方法。該方法是先以馬尾草為原料制備得到SiO₂，經(jīng)還原得到Si材料；然后以吡咯為主要原料在Si材料表面包覆聚吡咯，經(jīng)煅燒制備得到Si@N?C復合材料。本發(fā)明使用的原料簡單易得、價格低廉、環(huán)境友好，制備過程中無有毒有害物質(zhì)生成,并且有效的解決了雜草馬尾草的合理利用問題，經(jīng)濟環(huán)保,并且本發(fā)明提取硅材料的方法對從其它含硅酸鹽植物中提取硅材料具有一定的普適性；另外，本發(fā)明通過高分子聚合物聚吡咯熱解實現(xiàn)雜原子N摻雜的C包覆，大大提高了Si材料的導電性和穩(wěn)定性，從而提高了Si@N?C復合材料的鋰離子電池性能。

技術領域

本發(fā)明涉及一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料及其制備方法，屬于電化學和新能源材料技術領域。

背景技術

近年來，鋰離子電池因具有能量密度高，使用壽命長，自放電少等優(yōu)點受到越來越多的關注。提高鋰離子電池整體性能的關鍵在于提高正極和負極材料的性能，其中石墨已經(jīng)廣泛用于鋰離子電池負極材料，但是其較低的理論比容量(372mAh g^-1)無法滿足人們對高能量密度的迫切需求。從目前的研究現(xiàn)狀來看，Si因具有非常高的理論比容量(4200mAhg^-1)，較低的放電電壓和原料豐富等優(yōu)勢，被認為是最有希望替代石墨的負極材料之一。

但是，根據(jù)文獻報道，Si直接用來做鋰離子電池材料時，由于其在電化學反應過程中較大的體積膨脹效應(約300％)引起材料的粉碎以及不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)相界面膜(SEI)的形成，導致材料的容量快速的衰退。碳材料由于成本低，導電性高，重量輕以及能形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)相界面膜，被認為是能與Si結(jié)合達到高穩(wěn)定性高容量的理想材料。目前現(xiàn)有技術中已有硅碳復合材料用于鋰離子電池材料的報道。如，中國專利文獻CN105336934A公開了一種硅電極復合材料的制備方法，該方法以堿土金屬合金粉和氧化硅粉為原料，經(jīng)機械混合、高溫還原、聚合物沉積、再高溫處理，獲得硅碳復合電極材料。該復合材料用于鋰離子電池負極時，具有較好的電化學性能，在鋰離子電池領域具有很好的應用前景，但該發(fā)明直接采用氧化硅粉末，成本較高，且所制備的復合材料電化學性能一般。

馬尾草作為一種極具營養(yǎng)價值的天然草本，在遠古時期就已存在，廣泛分布于全世界的溫帶和亞熱帶地區(qū)，它生于荒野、道旁，為旱地作物常見的一種雜草。它們數(shù)量龐大，與農(nóng)作物爭奪水分、養(yǎng)分和光能，干擾并限制作物的生長。因此，馬尾草生物質(zhì)的合理利用將有助于環(huán)保與農(nóng)作物生長，但目前還不能對馬尾草生物質(zhì)進行合理的利用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料，該復合材料應用于鋰離子電池負極時表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。

本發(fā)明還提供一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料的制備方法，該制備方法簡單、成本低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對馬尾草生物質(zhì)的合理有效利用。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料，該復合材料是氮摻雜的碳和硅的復合物，所述復合物中硅的質(zhì)量含量為35-80％，碳的質(zhì)量含量為15％-60％，氮的質(zhì)量含量為1％-5％。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述Si@N-C復合材料的微觀形貌為：納米硅顆粒堆積成多孔結(jié)構(gòu)硅，多孔結(jié)構(gòu)硅表面包覆有氮摻雜的碳層，所述氮摻雜的碳層的厚度為20-100nm。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述Si@N-C復合材料先以馬尾草為原料制備得到SiO₂，經(jīng)還原得到Si材料；然后以吡咯為主要原料在Si材料表面包覆聚吡咯，經(jīng)煅燒制備得到Si@N-C復合材料。

優(yōu)選的，所述Si材料與吡咯的質(zhì)量比為0.01-2.0：0.009-0.2。

一種高性能鋰離子電池負極Si@N-C復合材料的制備方法，包括步驟如下：