[发明专利]一种氮化物掺杂的硅基复合材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种氮化物掺杂的硅基复合材料及制备方法，所述硅基复合材料为核壳结构，核层为硅基材料和g‑C₃N₄，壳层为无定型碳。通过在制备富含氨基的氮化物，并将其掺杂在硅基材料中，之后采用无定型碳进行包覆，提升其导电性和结构稳定性，并缓解材料在充放电过程中的体积膨胀；最终制备一种满电反弹低、首效高、循环性能好的硅基复合材料；本发明的原材料简单易得，产物利用率高。本发明提供的g‑C₃N₄在提升硅基材料结构稳定性和电化学性能的同时，增强极片的粘附力，能够吸收掉硅基材料在电化学充放电过程中的体积膨胀。

技术领域

本发明涉及锂离子电池电极材料领域，具体涉及一种氮化物掺杂的硅基复合材料及制备方法。

背景技术

目前商业化的硅基负极材料多用于高能量密度体系，硅具有较高的理论比容量（4200mAh/g）和理论电荷密度（9786mAh/cm³），比较适合做锂离子电池负极材料，但是硅负极自身的结构缺陷限制了其在动力电池领域的大规模应用，硅本身存在体积膨胀率较大、颗粒粉化严重、容量衰减较快等缺陷，尤其是大尺寸硅颗粒和硅薄膜。硅的这些缺陷可以通过材料纳米化、多孔化、碳包覆、复合石墨等方法缓解。已公开专利号为 CN201810368430.7的中国专利申请了硅基负极活性材料的制备方法及硅基负极活性材料、锂离子电池负极材料和锂离子电池，该专利提供了在纳米硅外包覆二氧化硅层的过程中加入氧化石墨烯组成，该结构能够改善硅基活性材料的性能，不仅能够缓冲纳米硅在充放电过程中的体积变化，还能提升硅基活性材料的电化学性能和力学韧性。此外，已公开专利号为CN201710634110.7的中国发明专利申请了一种掺氮碳材料包覆氧化亚硅的复合材料及其制备方法，该专利通过掺杂掺氮石墨烯和掺氮氧化沥青来提升氧化亚硅材料的导电性，缓冲负极材料在脱嵌锂过程中的体积变化，提升材料结构稳定性，增加电池的可逆容量和循环性能。

富含氨基的氮化物具备较强的亲核能力、易形成氢键，易于与硅基专用粘结剂聚丙烯酸、聚乙烯醇类形成氢键，在硅基材料表面形成一层稳定的保护膜，增强材料与材料之间、材料与集流体之间的粘合力，从而缓解电化学过程中的膨胀问题，最终改善材料的电化学性能。其中，典型氮化物石墨相氮化碳（g-C₃N₄）还具备层状结构和较大的比表面积，能够增大电极与电解液的接触面积，缩短Li⁺的迁移路径，同时本身具备的拓扑缺陷和卷边结构能够为Li⁺存储提供更多的反应位点，位于分子边缘的吡啶和吡咯氮有利于Li⁺的吸附并产生额外的反应活性位点，更利于硅基材料的容量发挥。层状疏松结构能够吸收硅基材料在电化学充放电过程中的体积膨胀，从而缓解硅基材料的在循环过程中粉化。

发明内容

本发明提出了一种氮化物掺杂的硅基复合材料及制备方法，解决硅基材料在充放电循环过程中，因体积膨胀引起的颗粒破碎问题。该复合材料包括硅基材料、g-C₃N₄、无定型碳，其中以硅基材料为核，g-C₃N₄作为掺杂物，无定型碳作为包覆层。

实现本发明的技术方案是：

一种氮化物掺杂的硅基复合材料，所述硅基复合材料为核壳结构，核层为硅基材料和g-C₃N₄，壳层为无定型碳。

将含氮化合物在500-550℃的马弗炉内进行烧结1-10h，控制升温速率为2-5℃/min，之后自然冷却到室温，得到疏松膨胀的g-C₃N₄材料。将g-C₃N₄在玛瑙研钵内适度轻轻研磨至粉末状。

所述含氮化合物为双氰胺、尿素、三聚氰胺或硫脲中的至少一种。

所述的氮化物掺杂的硅基复合材料的制备方法，步骤如下：