[發(fā)明專利]一種采用含硅生物質制備P、N共摻雜C/SiOx

有效

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• 申請日: 2019-10-25
• 公開（公告）號: CN110690439B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發(fā)明（設計）人: 崔金龍;孫俊才;敬毛鋒
• 申請（專利權）人: 河南大森林生物科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州知己知識產(chǎn)權代理有限公司 41132
• 代理人: 任海玲

本發(fā)明公開了一種采用含硅生物質制備P、N共摻雜C/SiO_x鋰離子電池復合負極材料的綠色方法，首先將干凈原料與濃H₃PO₄溶液混合均勻，浸泡，干燥，進行碳化活化；將碳化生物質，用蒸餾水和稀KOH溶液洗滌，得到P摻雜C/SiO_x復合材料；將得到的P摻雜C/SiO_x復合材料與氮源混合均勻，浸泡，干燥，進行碳化活化；然后用蒸餾水和稀硝酸溶液洗滌，真空干燥，得到P、N共摻雜C/SiO_x鋰離子電池復合負極材料。本發(fā)明材料克服了現(xiàn)有C/SiO_x鋰離子電池復合負極材料的首次庫倫效率低和電阻大的缺陷，實現(xiàn)了含硅生物質最大限度地轉化為優(yōu)質產(chǎn)品，基本上實現(xiàn)了零排放，零污染。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰離子電池材料技術領域，具體涉及一種采用含硅生物質制備P、N共摻雜C/SiO_x鋰離子電池復合負極材料的綠色方法。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度大、平均輸出電壓高、自放電小，而且沒有記憶效應、工作溫度范圍寬、循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高、輸出功率大、使用壽命長、不含有毒有害物質等相當多的優(yōu)點，被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、軍用產(chǎn)品、航空產(chǎn)品等領域。鋰離子電池常用的負極材料為石墨，石墨導電性好，具有層狀結構，十分適合鋰離子的嵌入和脫嵌，表現(xiàn)出較高的庫侖效率和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，但是其最大理論比容量較低，限制了鋰離子電池比能量的進一步提高。

目前人們已經(jīng)相繼公開了多種氮摻雜硅碳負極材料的制備方法，從而提高鋰離子電池的性能，例如：公告號CN104377351B的中國專利公開了一種硅-碳-氮復合負極材料及其制備方法，公開號為CN108807896A的中國發(fā)明專利申請公開了一種氮摻雜碳包覆硅碳復合材料的制備方法，公開號為CN108539140A的中國發(fā)明專利申請公開了一種氮摻雜硅/碳核殼結構鋰離子電池負極材料的制備方法，但是，這些制備方法都是利用化學試劑作為碳源和硅源，利用較為復雜的合成過程制備氮摻雜硅碳鋰離子電池負極材料。

含硅生物質主要由二氧化硅和有機成分（纖維素、木質素和半纖維素）組成，主要來源于糧食作物的生產(chǎn)過程的殘留物，產(chǎn)量大，以稻殼為例，據(jù)統(tǒng)計中國目前的大米年產(chǎn)量已經(jīng)超過了一億八千萬噸，約占全球年總產(chǎn)量的三分之一，居世界首位，在稻米加工的過程中會有大量的稻殼產(chǎn)生，每噸稻谷能產(chǎn)生約200kg的稻殼，這些稻殼由于其自然堆積密度小（約120kg/m³），給運輸帶來了極大的不便，而另一方面，大部分的稻米加工企業(yè)并沒有一個合理有效的工藝對稻殼進行利用，于是很多稻殼被當做農(nóng)業(yè)廢棄物遭到了丟棄，隨著我國稻谷加工技術的發(fā)展，稻米加工企業(yè)逐漸增多，企業(yè)的規(guī)模也逐漸增大，使得日加工稻米量逐漸增多，這些工廠每天不得不處理至少20～80噸的稻殼，日積月累稻殼存積過多，如遇風雨會對周圍的環(huán)境造成一定程度的污染。因此，將含硅生物質與含氮物質復合，并將其碳化，應用于電池負極材料具有重要的意義。

公開號為CN104617275A的中國專利申請公開了一種以含硅生物質為原料制備硅-碳復合物的方法，該方法包括以下步驟：將含硅生物質酸煮處理清除無機鹽離子雜質，清洗并干燥后研磨成粉末，在惰性氣氛中碳化得到二氧化硅和碳的復合產(chǎn)物，然后將碳化產(chǎn)物和鎂粉、熔鹽均勻混合后放入管式爐中在惰性氣氛下反應得到多孔硅納米顆粒均勻分布在碳中的多孔硅-碳復合材料。該發(fā)明工藝簡單易行，原料豐富廉價，而且由于加入的熔鹽熔化吸熱控制了反應溫度，得到的硅-碳復合物很好地保留了原始含硅生物質中二氧化硅天然嵌套在有機物中的結構，且得到的硅納米顆粒粒徑均一分布均勻，可以應用于鋰離子電池負極材料領域。但是，該專利工藝步驟得到硅-碳復合材料，電化學性能差，而且工藝步驟中采用酸、鎂粉以及熔鹽，污染環(huán)境，步驟繁瑣，成本高。

發(fā)明內容

為克服上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種采用含硅生物質制備P、N共摻雜C/SiO_x鋰離子電池復合負極材料的綠色方法，操作簡單，綠色環(huán)保，成本低，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)運用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：