[发明专利]一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料，以氧化亚硅为核，以掺氮碳材料包覆氧化亚硅形成核壳结构，其中，掺氮碳材料为掺氮石墨烯和掺氮氧化沥青的混合物；掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料中，按重量百分比计包括：70～90％氧化亚硅、5～20％掺氮石墨烯、3～15％掺氮氧化沥青；本发明还公开了一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料的制备方法。本发明以氧化亚硅为核，以掺氮碳材料包覆氧化亚硅形成核壳结构，在提高负极材料电子导电性的同时，还可以缓冲负极材料在脱嵌锂过程中的体积变化，提高材料循环过程中的结构稳定性，具有可逆容量高、循环性能好的优点。

技术领域

本发明涉及氧化亚硅复合负极材料技术领域，尤其涉及一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有较高的比能量、较长的循环使用寿命等特点而备受关注，已经广泛应用于便携式电子设备、电脑等领域中。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大部分组成，其中，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨类负极材料，但其理论容量只有372mAh/g，无法满足人们对高能量密度电池的需求。因此，开发出比容量高、充放电效率高、循环稳定性好的负极材料已经成为研究者们亟待解决的重要课题。

硅负极材料具有理论容量高(4200mAh/g)、嵌脱锂平台低、资源丰富、安全性好等优点，是目前最具有潜力的锂离子电池负极材料之一。但是，在充放电过程中，硅负极材料伴随着巨大的体积变化(400％)，导致硅活性材料粉化，点击涂层破裂，最终造成容量快速衰减，严重地阻碍了其在锂离子电池中的实际应用。同时，由于硅是半导体材料，本征导电性差(6.7×10^-4s/cm)，导致硅材料的倍率性能较差。氧化亚硅具有理论比容量高(2600mAh/g)、安全性好、价格低廉等优点，但是也存在一些问题，如脱嵌锂过程中有近200％的体积变化，导致点击粉化、破坏导电网络，使容量快速衰减；首次嵌锂过程中会生成惰性氧化锂和硅酸锂相，使首次循环的库伦效率低；在随后的充放电过程中，由于固体电解质相界面SEI膜不断生成，消耗Li⁺，库伦效率低于100％，导致电池负极相对于正极的可脱锂容量大幅度降低；SiO作为半导体，电导率远低于石墨，因此在大电流充放电时，会有较严重的极化。SiO的理论容量比硅低，但Si-O键的强度是Si-Si键的2倍，且首周反应过程中生成的Li₂O化合物对体积膨胀有缓冲作用，因此其循环性能比硅优越很多，引起了很多研究者的关注。

针对氧化亚硅存在的缺陷，研究者提出将SiO进行纳米化和其他导电材料如碳材料进行复合。石墨烯作为一种新型碳纳米材料，由单层sp²碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构，具有电子电导率高、柔性好、机械强度高等优点，能较好地缓冲体积效应并提高电子通道，这些特性决定了其在锂离子电池领域的巨大应用潜力，用其复合氧化亚硅制备负极材料的研究越来越多。但是由于石墨烯没有能带隙，使得其电导性不能像传统的半导体一样完全被控制，而且石墨烯表面光滑且呈惰性，不容易与其他材料进行复合，阻碍了石墨烯的应用。因此，研制综合性能良好的碳材料复合氧化亚硅锂电池负极材料成为本领域急需解决的问题之一。

发明内容

本发明提出了一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料及其制备方法，本发明在提高负极材料电子导电性的同时，还可以缓冲负极材料在脱嵌锂过程中的体积变化，提高材料循环过程中的结构稳定性，具有可逆容量高、循环性能好的优点。

本发明提出的一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料，以氧化亚硅为核，以掺氮碳材料包覆氧化亚硅形成核壳结构，其中，掺氮碳材料为掺氮石墨烯和掺氮氧化沥青的混合物；掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料中，按重量百分比计包括：70～90％氧化亚硅、5～20％掺氮石墨烯、3～15％掺氮氧化沥青。