[發明專利]一種含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法

在審

• 申請號: 202310060888.7
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN116314658A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 王海洋;朱洪喆;王廣興;宋迪慧;馬暢;王守凱;王浩;劉思彤
• 申請（專利權）人: 中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/04;H01M4/38;B82Y30/00;B82Y40/00;H01M10/0525;H01M4/62;H01M4/587
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 佟寧

本發明涉及一種含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法，將含氮聚合物分散在微乳液體系中，再向體系中加入納米硅水溶液、均質乳化后，形成穩定的含氮聚合物包覆納米硅微球，分離、烘干；將親水性瀝青分散至水溶液中，再加入含氮聚合物包覆納米硅微球，利用高速剪切力對納米硅進行二次包覆，在表面形成納米級的瀝青包覆層，分離、烘干；將經過二次包覆的硅碳復合材料前驅體在惰性氣氛中進行炭化，得到含氮包覆碳層的硅碳復合材料。本發明具有良好導電性、包覆層的力學性能足夠優異、高比容量等優點?？蓱糜趧恿﹄姵?、消費電池及儲能電池市場，本發明制備方法簡單、原材料易得、成本低廉，適合于大規模生產。

技術領域

本發明涉及鋰電池材料技術領域，尤其涉及一種含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法。

背景技術

近年來，新能源汽車、儲能裝置、人工智能等行業對鋰離子電池能量密度和使用安全性提出越來越高的要求。商業化的鋰離子電池主要是以石墨為負極材料，石墨的理論比容量為372mA·h/g，而市場上的高端石墨材料已經可以達到360～365mA·h/g，因此相應鋰離子電池能量密度的提升空間已相當有限。

在這種背景下，硅基負極材料因其較高的理論比容量(高溫4200mA·h/g，室溫3580mA·h/g)、低的脫鋰電位(＜0.5V)、環境友好、儲量豐富、成本較低等優勢而被認為是極具潛力的下一代高能量密度鋰離子電池負極材料。新型納米硅碳復合負極材料匹配三元正極材料構成的鋰離子電池，被認為是最有希望實現能量密度大于300W·h/kg的負極材料。然而，納米硅制備、硅碳材料復合技術，以及納米硅碳負極材料在充放電過程的電化學現象等尚需深入研究。

目前行業普遍利用瀝青包覆硅基負極材料，專利CN?109817957?B公開了一種瀝青包覆硅摻雜天然鱗片石墨負極材料的制備方法，將處理后的天然鱗片石墨與處理后的納米硅粉混合，研磨，加入甲苯，氮氣保護，攪拌反應，過濾，洗滌，干燥；將NG/Si復合材料與瀝青甲苯溶液混勻，取料，陰干，然后恒溫烘干，研磨，熱解，得到產物。此類方法雖提高了天然鱗片石墨的電化學循環性能和放電比容量問題，但由于瀝青經高溫碳化后轉變為石墨軟碳，在大電流充放電過程中，不能滿足快充的要求。如何有效地擴大碳材料的層間距是開發硅碳復合材料鋰離子電池負極的關鍵。專利CN?105047870?A公開了一種摻氮碳包覆硅復合材料及其制備方法，該方法通過熱解含氮的有機碳前驅體制備了一種摻氮碳包覆硅復合材料，所述摻氮碳包覆硅復合材料作為鋰離子電池負極材料具有較好的循環穩定性和良好的大電流充放電特性。但也存在一些問題，如離子液體價格昂貴，在炭化過程中揮發分多，比表面偏高，會影響振實密度、壓實密度等。鑒于此，本項目工作通過調控氮摻雜包覆碳層，納米硅經包覆后形成內層為剛性結構的硬炭、外層為類石墨結構的軟炭，含氮包覆碳層具有整體致密、不易粉碎、低孔隙度的特點，可有效抑制納米硅的粉化、提高導電性，避免電池在充放電過程中大量活性鋰離子被不可逆消耗，顯著提高電池比容量和首次庫倫效率。本發明的硅碳復合材料具有高比容量、高倍率性能、長循環使用壽命，有效解決了硅碳復合材料在實際制備鋰電池負極的應用時存在的大電流充放電時容量跳水情況、易粉化等問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法，本發明的含氮包覆碳層的硅碳復合材料具有良好導電性、包覆層的力學性能足夠優異、高比容量等優點?？蓱糜趧恿﹄姵?、消費電池及儲能電池市場，本發明的含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法簡單、原材料易得、成本低廉，適合于大規模生產。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種含氮包覆碳層的硅碳復合材料的制備方法，制備含氮包覆層能夠抑制納米硅的粉化、提高導電性、提高倍率性能，碳包覆層提高致密性、降低孔隙度。制備過程包括以下步驟：

1)將含氮聚合物分散在微乳液體系中，再向體系中加入納米硅水溶液、均質乳化后，形成穩定的含氮聚合物包覆納米硅微球，分離、烘干；