[发明专利]一种硅-碳-氮复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种硅-碳-氮复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂电池(即锂离子电池)是一种以碳素活性物质为负极，以含锂的化合物作正极的可充放电的电池。其充放电过程，即为锂离子的嵌入和脱嵌过程：充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极，负极中嵌入的锂离子越多，电池的充电比容量越高；反之，放电时，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入正极，从负极中脱嵌的锂离子越多，电池的放电比容量越高。可见，锂电池负极材料的嵌锂容量(即比容量)对电池的充放电性能有重要的影响。目前，商业化应用的锂离子电池广泛采用石墨及改性石墨作为负极材料。石墨导电性好，具有层状结构，十分适合锂离子的嵌入和脱嵌(嵌锂体积膨胀系数＜9％)，表现出较高的库仑效率和较好的循环稳定性，但是其最大理论比容量较低，仅为372 mAh/g，这限制了锂离子电池比能量的进一步提高。

硅基材料具有高比容量，高达4200 mAh/g，被看作一种有前途的负极材料。然而在锂离子的嵌入和脱嵌的过程中，硅基材料存在具有很大的体积效应(体积膨胀率高达300％-400％)，导致锂电池充放电过程中由于硅基材料的粉化和脱落，一方面影响活性材料和集流体之间的连接，不利于电子传输；另一方面使得硅基材料与电解质之间形成的固体电解质界面膜(solid electrolyte interface，简称SEI)膜逐渐增厚，不利于提高锂电池容量，造成锂电池的循环性能急剧下降。因此，有必要对硅基材料的体积效应进行缓冲。

现有技术(CN 102593418 A)通过将碳与硅进行复合制备得到碳硅复合负极材料，使具有相对弹性结构的碳及该空隙来缓冲硅的体积效应，提高硅的循环性能，其步骤如下：(1)混合：将有机碳前驱体与硅粉混合，得到有机碳前驱体与硅粉的混合物；(2)包覆：将上述混合物在惰性气氛中高温碳化，得到多孔碳层紧密包覆硅的复合材料；(3)腐蚀：用腐蚀液除去所述多孔碳层紧密包覆硅的复合材料中的部分硅，得到碳硅复合负极材料，该碳硅复合负极材料中碳与硅之间具有空隙。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术提供的负极材料的循环稳定性及倍率性能较差。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种循环稳定性和倍率性能较优的硅-碳-氮复合负极材料及其制备方法。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种硅-碳-氮复合负极材料的制备方法，包括：

步骤a、在氩气气氛下，以0.5-10℃/min的升温速率将硅源和氮源的混合物加热至600-1000℃，并在600-1000℃的温度下烧结3-15小时，然后降温至室温，得到掺氮的硅基材料；

步骤b、将所述掺氮的硅基材料和石墨混合均匀，并在氮气气氛下，以0.5-10℃/min的升温速率将所述掺氮的硅基材料和所述石墨的混合物加热至500-900℃，并在500-900℃的温度下烧结1-10小时，然后降温至室温，得到硅-碳-氮复合负极材料。

具体地，作为优选，所述步骤a中，所述掺氮的硅基材料中，氮的质量分数为0.2％-8％。

具体地，所述步骤a中，所述硅源选自纳米硅粉、一氧化硅、硅酸酯、硅合金中的至少一种。

具体地，所述硅酸酯为正硅酸乙酯和/或正硅酸甲酯。

具体地，所述硅合金为硅铝合金、硅铜合金、硅银合金或硅锰合金。

具体地，作为优选，所述步骤a中，所述氮源为有机胺和/或无机铵盐。

具体地，所述有机胺选自乙二胺、乙酰苯胺、乙酰胺、二乙酰胺、二乙酰乙胺、二乙酰甲胺、二乙酰苯胺、二甲胺、二苯胺、三乙胺、三甲胺、三苯胺中的至少一种。

具体地，所述无机铵盐选自(NH₄)₂CO₃、NH₄HCO₃、NH₄NO₃、(NH₄)₂SO₄、NH₄HSO₄、(NH₄)₃PO₄、(NH₄)₂HPO₄、NH₄H₂PO₄中的至少一种。