[发明专利]一种氮掺杂絮状碳硅复合电极材料及其原位制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂絮状碳硅复合电极材料及其原位制备方法，该原位制备方法在冰浴条件下，用凸透镜聚焦激光束，将碳化硅颗粒加入含一定氨水的去离子水中后得到的悬浮分散液作为液相靶，在脉冲激光条件下进行辐照，辐照完成后，将悬浮液冷冻干燥即得到氮掺杂的絮状碳硅复合电极材料。脉冲激光能够在瞬间（纳秒量级）产生高温高压环境，迅速将碳化硅破碎和分解，碳原子和硅原子分别形成絮状的碳片和嵌在其中的硅纳米颗粒以及氮原子的掺入，然后在冰浴的液相环境的快速冷却作用下保留其松散絮状的形貌，只要一步原位激光辐照即可，不需要其他的高温高压分解气氛、试剂以及复杂的实验装置，工艺简单，条件易控，成本低。

技术领域

本发明涉及微纳米粉体的制备技术领域，尤其涉及一种氮掺杂絮状碳硅复合电极材料及其原位快速制备方法，具体涉及一种采用脉冲激光辐照技术简单快速地形成具有高电化学性能的氮掺杂絮状碳硅复合电极材料的方法。

背景技术

硅基负极材料由于具有高的比容量，被认为是一种非常有前途的电池负极材料。但是，在充放电过程中，由于硅基负极材料体积变化巨大（～300%），导致电极材料粉化、团聚，活性材料表面形成巧SEI膜重复破坏和生长，从而使容量损失严重，循环性能差。此外，硅为半导体，导电性比石墨差，导致离子嵌入脱出过程中不可逆程度大，其首次库伦效率低。这些因素严重阻碍了硅作为电极材料的商业化应用。

为了改善硅基负极材料的体积膨胀、导电性和稳定性，将其与具有优异导电性能和机械性能的碳材料进行复合得到科研人员的青睐。目前，己有许多具有特殊纳米结构特征的硅/碳复合材料（包括零维的硅/碳纳米颗粒，一维的硅/碳纳米纤维、纳米管、纳米棒，二维的硅/碳纳米片，三维多孔结构的硅/碳复合材料），用作电池负极材料的研究。Yun等人(Carbon, 2015, 93: 59-67)采用煅烧法，将硅纳米颗粒/经丙烯腈/氧化石墨烯转化为硅纳米颗粒/多孔碳/石墨烯复合材料，将其用作锂离子电池负极材料，首次库伦效率为78%，在100 mA g^-1电流密度下循环50次后的比容量为1711 mAh g^-1。Kasukabe (Journal ofPower Sources, 2016, 319: 99-103)和Chen (Materials Letters, 2015, 152: 256-259)分别以葡萄糖或者聚苯并咪唑为碳源，通过水热的方法或者利用化学气相沉积的方法，在硅纳米颗粒表面包覆一层无定形碳层，制备了硅/碳复合材料，当该纳米复合材料用作电池负板材料时，比单一的硅纳米颗粒表现出增强的电化学性能。Zhang等人(Journalof Materials Chemistry A, 2015, 3: 7112-7120)通过静电纺丝技术制备了核壳结构的硅/碳纳米纤维材料，复合纤维的壳层是无定形的碳，核区是具有蜂窝状结构的碳骨架支持的硅纳米颗粒结构，当用作电池负极材料时，该复合材料在200 mA g^-1的电流密度下，经过150充放电循环后，比容量为997 mAh g^-1。虽然，硅/碳复合材料的电化学性能有了一定的提高，但是仍存在该复合材料的微结构不易控制和制备条件苛刻等问题，采用简单、低成本的方法制备高电化学性能的硅/碳负极材料仍然面临很多挑战。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种工艺简单的氮掺杂絮状碳硅复合电极材料的原位制备方法。该方法制备的复合电极材料用作超级电容器电极材料时，极大的提高该电极的质量容量，解决了传统方法难以实现高的质量容量和稳定性并一步原位简单制备的难题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种氮掺杂絮状碳硅复合电极材料的原位制备方法，所述方法包括如下步骤：

S01：称取一定质量的碳化硅颗粒于烧杯中，加入去离子水和氨水进行充分搅拌，得到碳化硅浓度为0.5-20 mg mL^-1的悬浮分散液。