[發明專利]一種氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202011049524.1
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112186159B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 隋艷偉;馮泉濤;肖彬;孟冬梅
• 申請（專利權）人: 江蘇福瑞士電池科技有限公司;中國礦業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/194;C01B32/21;C01B33/02
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 陳鵬

本發明公開一種氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料的制備方法，先制備改性納米硅粉，再由改性納米硅粉制備改性納米硅/石墨復合材料，同時制備氧化石墨烯粘稠溶液，最后制得氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料。本發明采用陽離子型強電解質對納米硅進行了表面改性，增大了納米硅的靜電斥力，改善分散性能，阻止了局部團聚，同時采用石墨和石墨烯作為納米硅的基底，減緩了納米硅負極在循環過程中的體積膨脹，采用尿素作為氮源對改性硅/石墨/石墨烯復合材料進行摻雜，有利于增加材料的導電性能，有利于獲得電化學性能優良的氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料。

技術領域

本發明涉及一種氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料的制備方法，屬于鋰離子電池技術領域。

背景技術

隨著電動汽車的快速發展，迫切需要更高能量密度、更長循環壽命的下一代鋰離子電池來滿足日益增長的需求。硅由于工作電位低(0.5V，vsLi⁺/Li)、理論容量為4200mAh·g^-1(Li_4.4Si)，比石墨負極(372mAh·g^-1)高10倍左右，因此引起了研究者的廣泛興趣。然而硅基負極在脫嵌鋰過程中具有較低的電子導電性和巨大的體積膨脹(＞300％)，導致容量快速衰減，所以改性硅基材料對高能量密度鋰離子電池的發展十分必要。

一種有效的策略是利用硅納米粒子來提高其電化學性能，因為其Li⁺擴散途徑較短，且將硅粒子縮小到納米尺度后具有強大的應變弛豫能力；另一種有效的策略是制備硅碳復合材料，引入碳基不僅可以提高電極的導電性，還可以緩解硅基材料的巨大體積膨脹。然而由于硅/碳電極中硅的比例較大，仍然存在體積變化大，整體性斷裂的問題。石墨類材料由于具有高導電性和穩定的SEI膜，被廣泛應用于實際生產中，其他負極材料想要短時間內取代商用石墨是非常困難的，最好的辦法就是與其復合，開發出性能更高的硅石墨負極材料。因此，含有少量納米硅的硅/石墨復合材料更受到人們的關注，具有較好的商業應用前景。

湖南大學陳玉喜等人申請的一種鋰離子電池負極材料碳包覆的硅石墨及其制備方法(公開號：CN103560233A)，將硅、石墨和碳源充分混合均勻，烘干后置于高溫反應爐中于惰性氣體保護條件下高溫燒結一定時間，即可得到碳包覆的硅石墨負極材料。但這種未經處理的納米硅在混合的過程中極易發生團聚，較難獲得均一的電極材料。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料的制備方法。

為了實現上述目的，本發明采用的一種氮摻雜改性硅/石墨/石墨烯復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將納米硅粉攪拌超聲分散在去離子水中，分散后在攪拌狀態下加入聚二烯二甲基氯化銨溶液，充分攪拌后超聲；

(2)將超聲后的溶液轉移到離心管中，離心后倒掉上清液，重新加入去離子水，超聲分散5～10min后，繼續離心，重復加去離子水清洗3～5次，最后得到棕色沉淀物；

(3)將得到的棕色沉淀物真空干燥得改性納米硅粉；

(4)取制得的改性納米硅粉超聲1～2小時后分散于15mL酒精中，然后加入天然石墨，得混合溶液；

(5)將得到的混合溶液轉移到100mL的球磨罐中進行球磨，球磨3～5h后，干燥得到改性納米硅/石墨復合材料；

(6)稱取氧化石墨烯、尿素和抗壞血酸，超聲分散于去離子水中，水浴加熱至溶液呈粘稠狀態；

(7)取步驟(5)得到的改性納米硅/石墨復合材料加入到步驟(6)得到的粘稠狀溶液中，進行強磁力攪拌至得到均一粘稠溶液；

(8)將步驟(7)的均一粘稠溶液轉移到水浴鍋中，水浴加熱成柱狀膠體；

(9)水浴反應結束后，冷卻至室溫得到深棕色水凝膠，用去離子水清洗后冷凍干燥，得到深棕色柱狀氣凝膠；