[发明专利]一种N掺杂的多孔硅基复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种N掺杂的多孔硅基复合材料及其制备方法和用途，所述多孔硅基复合材料中的N来源为含有一个或多个氨烃基支链的有机硅氧烷单体，即来源于所述有机硅氧烷单体中的氨烃基支链，所述N元素的掺杂显著提高了该多孔硅基复合材料的导电性。所述多孔硅基复合材料在制备过程中任选地加入还原剂，所述还原剂的加入促进了由该有机硅氧烷单体为前驱体形成的硅氧化物的还原，使得生成的Si晶粒镶嵌在未还原的硅氧化物基质中，而该硅氧化物能够缓冲Si晶粒在充放电中的体积效应。所述多孔硅基复合材料在制备过程中经HF的刻蚀，在该复合材料内部形成大量的空隙，使其形成多孔硅基复合材料，同样起到缓冲体积效应的作用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种N掺杂的多孔硅基复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子二次电池因具有比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、自放电率低、快速充电、无污染、工作温度范围宽和安全可靠等优点，已广泛应用于现代通讯、便携式电子产品和混合动力汽车中。在制造锂离子二次电池的过程中，正负极材料是决定锂离子电池工作性能和价格的重要因素。目前已经实现商业化的锂离子电池的负极材料主要是石墨，其最大理论容量为372mAh/g，难以满足高性能动力锂离子电池发展的需要，因此，开发出一种新型负极材料势在必行。在各种非碳负极材料中，硅以其独特的优势和潜力脱颖而出。硅具有高达4200mAh/g的理论容量，是目前所研究的各种负极材料中理论容量最高的，而且在脱嵌锂的过程中无溶剂分子的共嵌入现象。另外硅具有储量丰富，成本较低，对环境无害等优点，符合绿色能源发展的需要。但是硅在充放电过程中体积效应大(超过300％)，硅粒容易发生破裂和粉化现象，易引起电极开裂和活性物质的脱落，从而导致电极循环性能恶化，这些缺点均限制了硅的商业化应用。

然而硅基氧化物材料在充放电的过程中由于形成Li₂O及硅酸盐类物质，能够一定程度上缓冲其在充放电过程中的体积效应，从而提高硅基材料的循环性能，并且相对其他负极材料而言，硅基氧化物材料的理论容量较高、嵌锂电位低，因此硅基氧化物材料有望取代纯硅成为下一代动力性锂离子电池的负极材料。但是硅基氧化物材料的导电性较差，限制了其倍率性能的提高，同时首周不可逆容量也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了硅基材料存在的充放电过程中的体积效应以及导电性差的问题，本发明提供了一种N掺杂的多孔硅基复合材料的制备方法，其包括下述步骤：

(1)将含氮硅氧烷单体与有机溶剂混合，得到混合体系；

(2)向步骤(1)的混合体系中加入碱性催化剂或酸性催化剂，随后逐滴加入一定量的去离子水，进行水解缩合反应，任选地加入还原剂，待溶剂蒸干后得到固体粉末；

(3)将步骤(2)的固体粉末置于还原气氛中，进行热处理；

(4)将步骤(3)的热处理后的产物进行刻蚀处理，得到多孔硅基复合材料。

根据本发明，步骤(1)中，所述含氮的硅氧烷单体可以选自含有一个或多个氨烃基支链的有机硅氧烷单体中的一种或几种；优选为(C₂H₅O)₃SiC₃H₆NH₂；

根据本发明，步骤(1)中，所述有机溶剂可以选自甲苯、乙苯、正己烷或丙酮中一种或几种，优选为正己烷；

根据本发明，步骤(1)中，所述含氮硅氧烷单体与有机溶剂的质量比可以为1:5-20，优选为1:5-10；

根据本发明，步骤(1)中，所述含氮硅氧烷单体与有机溶剂混合后经搅拌得到混合体系；所述搅拌的时间可以为0.5-10h，优选为0.5-5h，还优选为1-4h，例如2-3h。