[發明專利]一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810592133.0
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108807896B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 賀艷兵;諶芳園;康飛宇;何中林;王鵬;武洪彬;李寶華;程光春;林平
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院;湖北融通高科先進材料有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣東德而賽律師事務所 44322
• 代理人: 葉秀進

本發明屬于鋰離子電池技術領域，涉及一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法，包括如下步驟：以三聚氰胺為氮源，有機酸為碳源，改性石墨烯為導電橋梁，將三聚氰胺、有機酸、改性石墨烯在溶劑中混合均勻，然后再加入硅碳材料，混合均勻，干燥；將混合好的干燥物料研磨過篩，然后將物料轉移至回轉爐中，通入惰性氣氛，加熱至100~500℃，三聚氰胺與有機酸、改性石墨烯反應后原位生成的功能結構組分包覆在硅碳復合材料表面；然后繼續升溫碳化，得到包覆均一的氮摻雜碳包覆硅碳復合材料。相對于現有技術，本發明采用原位氮摻雜碳包覆硅碳復合材料，該材料的循環性能提升明顯，倍率性能好。而且該方法簡單，成本低，非常適合大規模生產運用。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，涉及一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法。

背景技術

近年來，由于電動汽車領域的不斷發展，目前工信部等四部委在《促進汽車動力電池產業發展行動方案》中提出，2020年規劃目標中要求單體電池能量密度達到300wh/kg，這對于采用石墨(理論克容量372mAh/g)作為負極的傳統鋰離子電池是一個巨大的挑戰。而硅具有4200mAh/g的理論容量，且脫嵌平臺低(＜0.5V Vs Li/Li+),硅基材料是有望成為下一代鋰離子負極材料的主流之一的材料。然而硅基材料有一個致命的缺點：在鋰離子從硅材料脫嵌過程中，體積變化很大，易導致電極材料的粉化和電極性能的惡化，從而使得電池循環性能較差。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法，其采用原位氮摻雜碳包覆硅碳復合材料，得到的氮摻雜碳包覆硅碳復合材料循環性能提升明顯，倍率性能好。而且該方法簡單，成本低，非常適合大規模生產運用。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法，至少包括如下步驟：

步驟一，以用含氮量高的三聚氰胺為氮源，有機酸為碳源，改性石墨烯為導電橋梁，將三聚氰胺、有機酸、改性石墨烯在溶劑中混合分散，然后再加入硅碳復合材料，混合均勻，得到濕漿料，干燥；

步驟二，將步驟一中混合好的干燥物料研磨過篩，然后將物料轉移至回轉爐中，通入惰性氣氛，加熱至100～500℃，保溫0.1～5h，三聚氰胺的氨基分別和有機酸、改性石墨烯中的羧基反應，生成含C-N鍵，有機酸的羧基和改性石墨烯中的羥基生成酯類的功能結構組分。功能結構組分包覆在硅碳復合材料表面；然后繼續升溫至500～1000℃，功能結構組分碳化0.5～24h，脫去功能結構中的氧和氫，冷卻后打散、過篩，得到包覆均一的氮摻雜碳包覆硅碳復合材料。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法的一種改進，步驟二得到的氮摻雜碳包覆硅碳復合材料具有核殼結構，殼層為氮摻雜碳層，核層為硅碳復合材料，所述氮摻雜碳層是由三聚氰胺與有機酸、改性石墨烯反應后原位生成的功能結構組分碳化得到的。該殼層厚度在100nm～5μm，導電性好，而且在硅碳復合材料表面鋪展性能好，包裹效果優異，另外石墨烯有柔性，為硅碳復合材料的電化學膨脹提供了空間，維護了材料結構穩定性。功能結構組分均勻的包覆在硅碳復合材料表面。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅碳復合石墨材料的制備方法的一種改進，殼層的質量為核層質量的0.5～5％。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法的一種改進，步驟一所述的改性石墨烯為接枝有-OOH，-OH官能團的石墨烯，改性石墨烯能夠與有機酸和三聚氰胺反應。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法的一種改進，步驟一所述的有機酸為含-COOH的有機物，從而能夠和三聚氰胺和改性石墨烯加熱反應，生成功能結構組分。并且-COOH官能團的個數為1～5，碳原子數為2～20。優選的，有機酸為檸檬酸、硬脂酸、乙二酸中的至少一種。