[發(fā)明專利]氮摻雜石墨烯/硅三維鋰離子負(fù)極復(fù)合材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2018-03-15
• 公開（公告）號: CN108615860A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 溫廣武;唐校福
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京志霖恒遠(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11435
• 代理人: 曹麗

本發(fā)明公開了一種氮摻雜石墨烯/硅三維結(jié)構(gòu)鋰離子負(fù)極復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：將納米硅粉分散于水中，然后加入PDDA，攪拌和超聲反應(yīng)；將得到的溶液進行清洗離心，得到產(chǎn)物PDDA@Si；將PDDA@Si加入到氧化石墨烯水溶液中，攪拌后超聲，加入甲醛攪拌，再加入三聚氰胺，攪拌；將最后的溶液進行水熱反應(yīng)，將水熱反應(yīng)后的產(chǎn)物烘干；烘干產(chǎn)物高溫處理得到產(chǎn)物。通過引入PDDA，改變納米硅顆粒表面活化能，緩解了納米硅顆粒易團聚、難分散問題，以三聚氰胺為氮源，通過水熱反應(yīng)，在氧化石墨烯還原的同時將氮原子引入，得到氮摻雜的石墨烯。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高比容量、具有三維結(jié)構(gòu)的新型氮摻雜石墨烯/硅鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著電動汽車以及可移動電子設(shè)備對高比容量、高比能量、長壽命電池需要的日益增長，人們對鋰離子電池的性能提出了更高的要求。鋰離子電池容量偏低已成為制約電池工業(yè)發(fā)展的一個瓶頸，負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，其性能的好壞直接決定鋰離子電池的優(yōu)劣。

目前商業(yè)化的鋰離子電池主要采用石墨類碳負(fù)極材料，但是自從鋰離子電池商業(yè)化以來，石墨以及越來越接近其理論比容量372mAh/g，而且石墨作為負(fù)極材料其嵌鋰電位平臺接近金屬鋰，低溫充電或者快速充電時易發(fā)生“析鋰”現(xiàn)象存在安全隱患。因此，高能動力型鋰離子電池的發(fā)展迫切需要尋求高容量、長壽命、安全可靠的新型負(fù)極來替代石墨類碳負(fù)極。

在各種非碳負(fù)極材料中，硅的理論儲鋰容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨容量的10倍多；硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時難以造成表面析鋰現(xiàn)象，安全性能優(yōu)于石墨負(fù)極材料；并且，硅在地殼中含量豐富，來源廣泛、價格便宜。但是，在電化學(xué)儲鋰過程中，鋰原子會嵌入到硅原子結(jié)構(gòu)中形成合金相，使材料的體積變化達(dá)到300％以上。巨大的體積效應(yīng)產(chǎn)生機械應(yīng)力使硅材料發(fā)生粉化，并引起電極活性物質(zhì)與集流體分離，造成容量急劇下降。另一方面，作為半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電性差也是限制其作為鋰離子負(fù)極材料應(yīng)用的重要因素之一。

目前，提高硅負(fù)極材料性能的方法主要有納米化、改進粘結(jié)劑、改進電解液以及復(fù)合化。將硅材料與其它材料制成復(fù)合材料，利用復(fù)合材料各組成之間的協(xié)同效應(yīng)以達(dá)到優(yōu)勢互補的目的，其中碳/硅復(fù)合材料就是一個重要的研究方向。石墨烯作為一種二維碳材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機械強度，使其非常適合與硅進行復(fù)合制備出優(yōu)異的鋰離子電池負(fù)極復(fù)合材料。石墨烯/硅復(fù)合材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時，一方面保持了硅的高容量，另一方面由于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性和機械性能，可以進一步緩沖硅的體積效應(yīng)，并且提高導(dǎo)電性。

但是，由于納米硅顆粒具有高的表面能，使其易團聚、難分散；納米硅顆粒與氧化石墨烯的Zate電位都為負(fù)，由于同性相斥原理，很難將納米硅粉均勻、牢固的分散在氧化石墨烯片層上，因此，制備出高性能的石墨烯/硅復(fù)合材料面臨的這些問題限制了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜石墨烯/硅三維結(jié)構(gòu)鋰離子負(fù)極復(fù)合材料及其制備方法，本發(fā)明的方法制備得到的材料既具有高比容量、又具有三維結(jié)構(gòu)。

第一方面，本申請實施例提供了一種氮摻雜石墨烯/硅三維結(jié)構(gòu)鋰離子負(fù)極復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將納米硅粉分散于水中，然后加入聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)，進行攪拌和超聲反應(yīng)；

(2)將步驟(1)得到的溶液進行清洗離心，洗掉多余的PDDA，得到產(chǎn)物PDDA@Si；

(3)將步驟(2)得到的產(chǎn)物PDDA@Si加入到氧化石墨烯水溶液中，攪拌后超聲，然后加入甲醛攪拌，再加入三聚氰胺，攪拌；

(4)將步驟(3)中最后的溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中進行水熱反應(yīng)，將水熱反應(yīng)后的產(chǎn)物烘干；

(5)將步驟(4)中烘干產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到管式爐中高溫處理得到產(chǎn)物。