[發明專利]一種氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810592149.1
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108682829B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 康飛宇;諶芳園;賀艷兵;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;H01M4/62
• 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復合石墨材料的制備方法，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、改性石墨烯與納米硅懸濁液混合均勻，然后再加入石墨，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℃，納米硅顆粒嵌入三聚氰胺與有機酸、改性石墨烯反應后原位生成的功能結構組分中；然后繼續升溫碳化。相對于現有技術，本發明采用原位氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料，從而得到硅碳復合材料，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復合石墨材料的制備方法。

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。

有鑒于此，本發明旨在提供一種氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料的制備方法，其采用原位氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料，從而得到硅碳復合材料，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。

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復合石墨材料的制備方法，其采用原位氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料，從而得到硅碳復合材料，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。

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復合石墨材料的制備方法，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、改性石墨烯與納米硅懸濁液混合均勻，然后再加入石墨，混合均勻，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。納米硅顆粒嵌入三聚氰胺與有機酸、改性石墨烯反應后原位生成的功能結構組分中；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，得到致密的氮摻雜碳包覆硅復合石墨材料。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅復合石墨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復合石墨材料具有核殼結構，殼層為嵌入有納米硅的氮摻雜碳層，核層為石墨，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500nm～5μm，導電性好，而且在石墨表面鋪展性能好，包裹效果優異，另外石墨烯有柔性，為硅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石墨表面。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅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5～30％。

作為本發明氮摻雜碳包覆硅復合石墨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。