[發明專利]B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201911277246.2
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN111048757B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 喻萬景;王杰;安添輝;戴瓊雨;趙放;劉凡;王朝磊;童匯
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;B82Y30/00;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙大勝專利代理事務所(普通合伙) 43248
• 代理人: 陸僖

B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米負極材料及其制備方法，所述負極材料由B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米顆粒而成。所述制備方法，包括以下步驟：（1）將氧化石墨烯粉末加入水中，超聲分散，得氧化石墨烯水分散液；（2）在氧化石墨烯水分散液中，先加入硅納米顆粒和氮源，一次超聲分散，再加入硼源，二次超聲分散后，冷凍干燥，得含B、N的氧化石墨烯包覆硅納米復合材料；（3）在惰性氣氛中，將含B、N的氧化石墨烯包覆硅納米復合材料進行熱處理，水洗，干燥，即成。本發明負極材料組裝的電池較好地解決了硅負極材料在充放電過程中體積急劇膨脹的問題，循環性能、大倍率電化學性能好，成本低；本發明方法工藝簡單，適宜于工業化生產。

技術領域

本發明涉及一種硅納米負極材料及其制備方法，具體涉及一種B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米負極材料及其制備方法。

背景技術

由于鋰離子電池具有高電壓、高比能量、長循環壽命和對環境友好等特點，成為便攜式電子產品、移動產品、電動汽車的理想配套電源。受便攜式電子設備、移動產品、電動汽車的快速發展影響，急切需要高能量密度、高比容量的新型鋰離子電池，而發展新型的鋰離子電池負極材料是關鍵。傳統石墨負極的理論容量只有372 mAh·g^-1，已經嚴重制約了整個鋰離子電池行業的發展。硅（Si）負極材料具有高理論容量、低放電平臺、資源豐富和安全性能好等優點，其理論容量可以達到4200 mAh·g^-1，是一種極具可能取代商業化石墨負極的電極材料。因此，將硅基材料作為鋰離子電池的負極越來越受到廣大研究者的關注。

但是，Si負極材料在充放電過程中晶格的劇烈變化阻礙了純Si的使用：在Li⁺與Si負極材料發生合金化過程時會導致負極材料重復膨脹與收縮，其體積增加近300%，由體積變化產生的應力會引起Si相的結構改變并破壞固態電解質界面（SEI）膜，對于商業化電池循環壽命來說，SEI膜的存在是至關重要的；去合金化步驟中的Si收縮使SEI膜易于破裂和剝落，活性材料與集電器之間的電接觸被破壞，從而導致電極快速失效。針對上述問題，研究者們探索了多種提高硅負極材料循環性能的方法，例如，降低硅材料顆粒粒徑、形成多孔材料、硅薄膜材料、硅納米線、硅復合材料等，其中，比較有效的方法是制備成硅基復合材料來緩解在充放電過程中的體積膨脹，此方法已經廣泛應用于鋰離子電池負極材料的改性研究中。

CN107565109A公開了一種高穩定的鋰離子電池硅碳負極材料及其制備方法，是采用多孔碳和石墨烯對硅顆粒進行包覆。雖然該材料在一定程度上提高了電池材料的導電性和電池的循環性能，但是，該方法還是不能很好的防止硅顆粒的粉化，并且制作的流程繁瑣，不利于產業化。

CN109192937A公開了一種硅碳負極材料的制備方法，是采用球磨法，用無定型碳將Si/SiO_x進行包覆，然后用HF對材料進行腐蝕。雖然該材料在一定程度上緩解了放電過程中硅材料的膨脹，從而提高了電池材料的循環性能，但是，該方法并不能從根本上抑制硅顆粒的體積膨脹，且不能適應大電流充放電。

綜上，亟待找到一種在充放電過程中結構穩定，循環性能、大倍率電化學性能好，成本低，工藝簡單，適宜于工業化生產的以硅材料作為負極的鋰離子電池負極材料及其制備方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種在充放電過程中結構穩定，組裝的電池循環性能、大倍率電化學性能好，成本低的B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米負極材料。

本發明進一步要解決的技術問題是，克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種工藝簡單，適宜于工業化生產的B、N共摻雜石墨烯包覆硅納米負極材料的制備方法。