[发明专利]一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，包括如下步骤：以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；将混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温碳化。相对于现有技术，本发明采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法。

背景技术

近年来，由于电动汽车领域的不断发展，目前工信部等四部委在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出，2020年规划目标中要求单体电池能量密度达到300wh/kg，这对于采用石墨(理论克容量372mAh/g)作为负极的传统锂离子电池是一个巨大的挑战。而硅具有4200mAh/g的理论容量，且脱嵌平台低(＜0.5V Vs Li/Li⁺),硅基材料是有望成为下一代锂离子负极材料的主流之一的材料。然而硅基材料有一个致命的缺点：在锂离子从硅材料脱嵌过程中，体积变化很大，易导致电极材料的粉化和电极性能的恶化，从而使得电池循环性能较差。

有鉴于此，本发明旨在提供一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，至少包括如下步骤：

步骤一，以用含氮量高的三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；

步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100～500℃，保温0.1～5h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分。纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温至500～1000℃，功能结构组分碳化0.5～24h，脱去功能结构中的氧和氢，冷却后打散、过筛，得到致密的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料。

作为本发明氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤二得到的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料具有核壳结构，壳层为嵌入有纳米硅的氮掺杂碳层，核层为石墨，所述氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。该壳层厚度在500nm～5μm，导电性好，而且在石墨表面铺展性能好，包裹效果优异，另外石墨烯有柔性，为硅电化学膨胀提供了空间，维护了材料结构稳定性。功能结构组分均匀的包覆在石墨表面。

作为本发明氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，壳层的质量为核层质量的5～30％。

作为本发明氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯，改性石墨烯能够与有机酸和三聚氰胺反应。