[發明專利]一種氮磷摻雜二維碳/硅復合物及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010660694.7
• 申請日: 2020-07-10
• 公開（公告）號: CN111747396A
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 張橋保;柯承志;鄭志明;陳慧鑫
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B33/02;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M4/62;H01M4/04;H01M10/0525
• 代理公司: 廈門律嘉知識產權代理事務所(普通合伙) 35225
• 代理人: 張輝;溫潔

本發明公開了氮磷摻雜二維碳/硅復合物及其制備方法和應用，其中，制備方法包括如下步驟：步驟1：將碳源溶解于去離子水中，隨后加入硅源，混合均勻，再加入NaCl，混合均勻；將混合物干燥，獲得固體，將固體研磨成粉末；步驟2：將粉末置于管式爐中，在保護氣體中煅燒，然后用去離子水刻蝕走NaCl模板，干燥后獲得二維碳/硅復合物；步驟3：取所述二維碳/硅復合物和氮源溶于去離子水中，攪拌；然后添加入磷源，攪拌；最后在保護氣體中煅燒，獲得氮磷摻雜二維碳/硅復合物，該復合物成本低廉，可大批量生產，不僅具有較高的比表面積和較好的電子傳輸性能，還能大幅緩沖硅在脫嵌鋰過程中的體積變化，應用鋰離子電池負極材料，具有非常好的應用前景。

技術領域

本發明涉及二維碳/硅復合物領域，特別涉及一種氮磷摻雜二維碳/硅復合物及其制備方法和應用。

背景技術

隨著新能源汽車的興起，可充電鋰離子電池被人們廣泛關注。

在電池負極材料中硅是下一代鋰離子電池最有前途的負極候選材料之一，它具有低電壓和高理論比容量(室溫下的形成Li₁₅Si₄相為3580mA/h g)，此外，其然儲量豐富(地殼中第二豐富的元素)，且對環境無害。然而在充放電過程中，硅負極體積膨脹大約300％，這破壞了顆粒間的電接觸，發生不可逆負極材料的粉碎，反復破裂和增長的SEI導致了電解質和鋰離子的不斷消耗。

與硅相比，層狀的石墨材料具有長壽命，但是能量密度相對較低，理論值容量只有372mAh/g。因此，硅碳復合材料被認為是一種很有前途的材料，并被廣泛用于緩解硅負極體積膨脹和提高其導電性能，目前這種硅碳復合材料成為了研究的熱點。

科研人員對硅碳復合材料進行了各種形狀結構的探索，例如：類石榴形的硅碳復合材料(N.Liu,Z.Lu,J.Z h ao,M.T.McDowell,h.W.Lee,W.Z h ao,Y.Cui,Nat.Nanotec hnol.2014,9,187；)，蛋黃殼結構的硅碳復合材料(N.Liu,h.Wu,M.T.McDowell,Y.Yao,C.Wang,Y.Cui,Nano Lett.2012,12,3315；)等等，相比這些結構，二維材料具有較高的比表面積和較好的電子傳輸性能，因此具有更好的應用前景，目前還沒有利用NaCl為模板制備氮磷摻雜二維碳/硅復合物負極材料的方法，并且NaCl模板可用去離子水環保的清理掉，因此開發這種操作簡單，成本低廉，可大量制備的氮磷摻雜二維碳硅復合物負極材料方法具有重要意義。

發明內容

為了克服現有技術的缺陷，本發明所要解決的技術問題在于提出以下技術方案。

第一方面，提出一種氮磷摻雜二維碳/硅復合物的制備方法，包括如下步驟：包括如下步驟：

步驟1：將碳源溶解于去離子水中，隨后加入硅源，混合均勻，再加入NaCl，混合均勻；將混合物在干燥箱中干燥，獲得固體，將所述固體研磨成粉末；

步驟2：將所述粉末置于管式爐中，在保護氣體中煅燒，然后用去離子水刻蝕走NaCl模板，干燥后獲得二維碳/硅復合物；

步驟3：取所述二維碳/硅復合物和氮源溶于去離子水中，攪拌；然后添加入磷源，攪拌；最后在保護氣體中煅燒，獲得氮磷摻雜二維碳/硅復合物。

優選的，所述步驟3中，氮源溶于去離子水中，攪拌1h-1.5h；添加入磷源，攪拌0.5h-1h。

優選的，所述碳源是葡萄糖、淀粉或檸檬酸中的一種或多種。

優選的，所述硅源是單質硅或多孔硅中的一種或多種，顆粒直徑90nm-110nm。

優選的，所述硅源、碳源和NaCl的質量比為1：(10-20)：200。

優選的，所述步驟2中煅燒以5℃-10℃/min的升溫速度加熱到750℃-900℃，保溫時間為2h-6h。