[发明专利]一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能锂离子电池负极Si@N‑C复合材料及其制备方法。该方法是先以马尾草为原料制备得到SiO₂，经还原得到Si材料；然后以吡咯为主要原料在Si材料表面包覆聚吡咯，经煅烧制备得到Si@N‑C复合材料。本发明使用的原料简单易得、价格低廉、环境友好，制备过程中无有毒有害物质生成,并且有效的解决了杂草马尾草的合理利用问题，经济环保,并且本发明提取硅材料的方法对从其它含硅酸盐植物中提取硅材料具有一定的普适性；另外，本发明通过高分子聚合物聚吡咯热解实现杂原子N掺杂的C包覆，大大提高了Si材料的导电性和稳定性，从而提高了Si@N‑C复合材料的锂离子电池性能。

技术领域

本发明涉及一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料及其制备方法，属于电化学和新能源材料技术领域。

背景技术

近年来，锂离子电池因具有能量密度高，使用寿命长，自放电少等优点受到越来越多的关注。提高锂离子电池整体性能的关键在于提高正极和负极材料的性能，其中石墨已经广泛用于锂离子电池负极材料，但是其较低的理论比容量(372mAh g^-1)无法满足人们对高能量密度的迫切需求。从目前的研究现状来看，Si因具有非常高的理论比容量(4200mAhg^-1)，较低的放电电压和原料丰富等优势，被认为是最有希望替代石墨的负极材料之一。

但是，根据文献报道，Si直接用来做锂离子电池材料时，由于其在电化学反应过程中较大的体积膨胀效应(约300％)引起材料的粉碎以及不稳定的固体电解质相界面膜(SEI)的形成，导致材料的容量快速的衰退。碳材料由于成本低，导电性高，重量轻以及能形成稳定的固体电解质相界面膜，被认为是能与Si结合达到高稳定性高容量的理想材料。目前现有技术中已有硅碳复合材料用于锂离子电池材料的报道。如，中国专利文献CN105336934A公开了一种硅电极复合材料的制备方法，该方法以碱土金属合金粉和氧化硅粉为原料，经机械混合、高温还原、聚合物沉积、再高温处理，获得硅碳复合电极材料。该复合材料用于锂离子电池负极时，具有较好的电化学性能，在锂离子电池领域具有很好的应用前景，但该发明直接采用氧化硅粉末，成本较高，且所制备的复合材料电化学性能一般。

马尾草作为一种极具营养价值的天然草本，在远古时期就已存在，广泛分布于全世界的温带和亚热带地区，它生于荒野、道旁，为旱地作物常见的一种杂草。它们数量庞大，与农作物争夺水分、养分和光能，干扰并限制作物的生长。因此，马尾草生物质的合理利用将有助于环保与农作物生长，但目前还不能对马尾草生物质进行合理的利用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料，该复合材料应用于锂离子电池负极时表现出优异的电化学性能。

本发明还提供一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料的制备方法，该制备方法简单、成本低，并且能够实现对马尾草生物质的合理有效利用。

本发明的技术方案如下：

一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料，该复合材料是氮掺杂的碳和硅的复合物，所述复合物中硅的质量含量为35-80％，碳的质量含量为15％-60％，氮的质量含量为1％-5％。

根据本发明优选的，所述Si@N-C复合材料的微观形貌为：纳米硅颗粒堆积成多孔结构硅，多孔结构硅表面包覆有氮掺杂的碳层，所述氮掺杂的碳层的厚度为20-100nm。

根据本发明优选的，所述Si@N-C复合材料先以马尾草为原料制备得到SiO₂，经还原得到Si材料；然后以吡咯为主要原料在Si材料表面包覆聚吡咯，经煅烧制备得到Si@N-C复合材料。

优选的，所述Si材料与吡咯的质量比为0.01-2.0：0.009-0.2。

一种高性能锂离子电池负极Si@N-C复合材料的制备方法，包括步骤如下：