[發(fā)明專利]一種氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113690420B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭淞生;王旖婷;凡正清;王兆林;陳思;張葉涵
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/05
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 申素霞

本發(fā)明提供了一種氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料及其制備方法和鋰離子電池負極上的應(yīng)用，屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料，包括亞微米級硅和包覆在所述亞微米級硅表面的氮硫摻雜碳聚合物層；所述氮硫摻雜碳聚合物層中分散有銅納米顆粒。本發(fā)明提供的氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料中氮的存在，能夠置換碳材料晶格中的碳原子并在結(jié)構(gòu)中引入空洞或缺陷，硫的存在能夠提高毗鄰碳原子的正電荷密度，且由于存在法拉第反應(yīng)，使得氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料中產(chǎn)生更多鋰存儲位點，提高氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料的比容量、導(dǎo)電能力和循環(huán)穩(wěn)定性，大大提高了復(fù)合材料與集流體間的導(dǎo)電性，有效提升鋰離子電池的電化學性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

石墨或石墨化碳作為現(xiàn)有商業(yè)化鋰離子電池的負極材料得到了廣泛的應(yīng)用。目前，碳負極材料的實際應(yīng)用容量已達到了350mAh/g，接近LiC₆的理論值(372mAh/g)。鋰離子電池負極材料未來將向著高比容量、高充放電效率、高循環(huán)性能和較低成本的方向發(fā)展，因此，石墨材料將無法滿足未來鋰離子電池在電動汽車行業(yè)和儲能領(lǐng)域的高比容量應(yīng)用需求。

硅的理論鋰容量最高可以達到4200mAh/g(對應(yīng)Li_4.4Si)，是石墨材料(理論容量372mAh/g)的十倍多，也遠高于其他金屬氧化物負極材料。而常溫條件下，Si嵌鋰后形成的最高成分為Li₁₅Si₄(Li_3.75Si)，其理論鋰容量也高達3579mAh/g。而且硅的嵌鋰電位約為0.5V(vs.Li/Li⁺)，高于石墨負極材料(0.2Vvs.Li/Li⁺)，所以在充放電過程中硅表面不容易析鋰，從而提高電池的安全性。而且，硅在地殼中含量豐富、低成本、無毒、且具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)。因此，硅是一種理想的鋰離子電池負極材料，具有很好前景。然而，Si在嵌鋰和脫鋰的過程中，將會產(chǎn)生巨大的體積變化(例如Li₁₅Si₄對應(yīng)的體積變化為266％)，導(dǎo)致硅材料為負極的鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，且本發(fā)明提供的氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料制備的鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料，包括亞微米級硅和包覆在所述亞微米級硅表面的氮硫摻雜碳聚合物層；

所述氮硫摻雜碳聚合物層由碳源與氮硫源聚合得到。

優(yōu)選的，所述氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料的粒徑為1～10μm。

優(yōu)選的，所述碳源包括烷烴化合物、苯基化合物、葡萄糖、淀粉和纖維素中的一種或幾種；

所述氮硫源為含氮硫氨基酸。

優(yōu)選的，所述氮硫摻雜碳聚合物層的厚度為0.5～9.5μm。

本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

將碳源、氮硫源、亞微米級硅和水混合，調(diào)節(jié)pH值至1～3，進行水熱反應(yīng)，得到氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料。

優(yōu)選的，所述碳源、亞微米級硅、氮硫源中的氮與氮硫源中的硫的質(zhì)量比為1：(0.1～3)：(0.01～0.15)：(0.01～0.20)。

優(yōu)選的，所述水熱反應(yīng)的溫度為120～210℃，保溫時間為2～16h。

本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述的氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料或上述技術(shù)方案所述制備方法得到的氮硫摻雜硅碳復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。