[发明专利]基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料及其制备方法，该制备方法以八乙烯基硅倍半氧烷与含氮的烯烃衍生物作为反应单体，采用原位聚合和高温煅烧处理，然后，进行镁还原处理，使得本发明所制基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料中的硅碳可实现均匀分布，进而使得采用本发明所制基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料的锂离子电池具有较高的比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对能源的需求不断提高。而传统的能源储量有限，同时这些传统能源在使用过程中对环境产生一定的污染。例如煤、石油、天然气等传统能源在使用过程中，产生二氧化碳气体以及一些有毒有害气体，这使我们周围的环境不断恶化，严重威胁人类的正常生活。为此，人们急需开发一种新能源，来解决能源危机，同时也实现对环境的保护。锂离子电池作为二次能源，有着无污染，高能量密度、无记忆效应、自放电率低、循环寿命长的特点，得到广泛应用，因此，开发一种新型的高性能锂离子电池材料非常重要。

负极材料是影响锂离子电池性能的重要部分，一直备受人们的关注。传统的石墨类负极材料具有较低而且平稳的工作电位和良好循环性能的，但是碳材料的比容量偏低，这制约着其的应用范围。硅具有较大的理论比容量(4200mAhg^-1)，是石墨类负极材料比容量(372mAhg^-1)的10倍左右，而且硅在地壳中的储量丰富，价格低廉。但是硅与锂的合金化反应过程中，硅材料会产生剧烈的体积膨胀(体积变化率达到270％～300％)，容易导致活性材料在循环过程中发生结构破坏和粉化脱落，严重影响锂离子电池的电化学性能。硅碳复合材料是一种结合了硅的高储锂比容量和碳材料优良的的稳定性等优点的复合材料，但是硅碳复合材料常常采用物理混合的方式进行复合，导致硅与碳分布不均，大大影响了锂离子电池的比容量和循环稳定性。此外，硅碳负极材料的比容量也没完全达到商业化的理想效果，还需要进行改性来满足应用要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料的制备方法，以解决现有硅碳复合负极材料中硅与碳分布不均，导致锂离子电池的比容量和循环稳定性较低的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将八乙烯基硅倍半氧烷加入至含氮的烯烃衍生物中，搅拌，得到混合溶液A；

2)将2-羟基-2-甲基苯丙酮加入至所述混合溶液A中，搅拌，得到混合溶液B；

3)将所述混合溶液B置于紫外线下进行原位聚合反应，得到聚合物凝胶；

4)将所述聚合物凝胶洗涤、干燥、研磨，得到聚合物凝胶粉末；

5)将所述聚合物凝胶粉末置于氮气气氛中进行高温煅烧，得到SiO_x@C的氮掺杂复合材料；

6)向所述SiO_x@C的氮掺杂复合材料中加入氯化钠和镁粉，然后，在氩气气氛中，进行镁热还原反应，得到Si@C的氮掺杂复合材料；

7)向所述Si@C的氮掺杂复合材料中加入盐酸，进行除杂处理，待所述除杂处理结束后，干燥，得到基于硅倍半氧烷的氮掺杂硅碳复合负极材料。

可选地，所述步骤1)中所述含氮的烯烃衍生物为1-乙烯基咪唑、N-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基甲酰胺中的一种。

可选地，所述步骤1)中所述八乙烯基硅倍半氧烷与所述含氮的烯烃衍生物的质量比为1∶(8～20)。

可选地，所述步骤2)中所述2-羟基-2-甲基苯丙酮的含量为所述步骤1)中所述含氮的烯烃衍生物的含量的1～5％。