[发明专利]锂离子电池用硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法及应用

说明书

一种锂离子电池用硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法及应用，属于硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法及应用。本发明硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法，通过商用硅粉和碳源及氮源的混合湿球磨，经干燥后在惰性气氛下采取高温固相烧结合成技术，调控反应过程中技术参数，实现对硅/氮掺杂石墨烯复合材料的硅含量调控，制备得到硅/氮掺杂石墨烯复合材料；并将其应用制作锂离子电池负极材料。优点：该材料作为锂离子电池负极表现出优异的循环及倍率性能，生产工艺简便可靠，原材料廉价易得，设备要求低，合成路线简单，便于调控，操作步骤可控性高，易实现大规模宏量化制备，且此复合材料极大提升了整体电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法及应用，特别涉及一种锂离子电池用硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法及应用。

背景技术

在不可再生化石能源消耗巨大，环境问题日益突出的社会背景下，用以替代的可再生绿色能源受到了极大的关注，其中，锂离子电池因为电压高、自放电率低、体积小、重量轻、无记忆效应等优异的性能被广泛应用于便携式电器以及电动汽车中。石墨材料作为现阶段已经实现商业化的负极材料由于较低的理论容量(372mAh/g)极大限制了锂离子电池总体容量的提升，因此，具备较高理论容量的Si，Sn等材料开始逐渐获得科研界的关注。

Si作为锂离子电池负极具有4200mAh/g的理论容量，远大于商用的石墨类材料，同时具备较低的嵌锂电位(约0.5V)，在充放电过程中不会发生溶剂分子的共嵌入。然而作为一种通过合金化机制进行储锂的材料，在充电过程中存在巨大的体积膨胀，其产生的内应力使其与集流体分离，材料粉化脱落，因而循环稳定性较差。目前为止，解决这个问题的方法主要有制备纳米级硅材料和纳米级碳硅复合材料，前者易产生团聚，且不利于大规模的产业化生产。因此，制备纳米级碳硅复合材料是目前更具实用前景的一种方法。

石墨烯是一种由sp²杂化的碳六元环组成的二维碳材料，具有超大的比表面积，高的电子迁移率和较宽的电化学窗口。其作为复合材料基底，能大程度改善Si材料和集流体的电接触，有效缓解材料的体积膨胀，且弯曲的石墨烯片层也能提供额外的储锂活性位，与Si材料实现协同储锂。因此可以极大提高Si材料的循环稳定性和倍率性能，具有广阔的实用前景。而纯石墨烯材料由于没有能带隙，且表面光滑表现为惰性不易与其他材料实现较好的复合，氮掺杂通过改变石墨烯电子与原子结构，提高了其自由载流子密度同时增加了其表面吸附活性位，从而增强了石墨烯材料的复合性能。虽然石墨烯与硅相复合已有很多报道，但由于混合不均及硅与石墨烯在充放电过程中体积变化率不同导致相互分离，因而造成整体循环稳定性恶化。通过湿球磨在硅颗粒表面均匀附着碳及氮源再借助高温固相烧结原位形成硅/氮掺杂石墨烯复合材料，在增强整体电极材料导电性的同时提升了其结构稳定性，作为为锂离子电池负极表现出非常优异的循环稳定性及倍率性能。

在硅颗粒表面经原位一步碳化获得硅/氮掺杂碳复合结构材料并将其应用于锂离子电池负极材料还未有公开报道，并且本发明同时实现了高氮掺杂碳膜包覆效果。

发明内容

本发明目的在于提供一种合成路线简单、便于调控的锂离子电池用硅/氮掺杂石墨烯负极材料制备方法及应用，解决现有技术合成硅/氮掺杂石墨烯复合电极材料工艺复杂、制备成本高、难以产业化的问题。

本发明的目的是这样实现的，本发明硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法，通过商用硅粉和碳源及氮源的混合湿球磨，经干燥后在惰性气氛下采取高温固相烧结合成技术，调控反应过程中技术参数，实现对硅/氮掺杂石墨烯复合材料的硅含量调控，制备得到硅/氮掺杂石墨烯复合材料；并将其应用制作锂离子电池负极材料。

硅/氮掺杂石墨烯复合材料制备方法，包括以下步骤：

(1)将氮源：碳源：硅粉按质量比为10︰1︰(1-x)称量，其中0≦x≦0.9；将混合粉体转移至球磨罐中，加入无水乙醇至粉体呈糊状，随后在行星式球磨机中球磨1-10小时，将球磨后的混合物在60℃下干燥3～24小时，得到前驱体混合物；