[发明专利]B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米负极材料及其制备方法

说明书

B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米负极材料及其制备方法，所述负极材料由B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米颗粒而成。所述制备方法，包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯粉末加入水中，超声分散，得氧化石墨烯水分散液；（2）在氧化石墨烯水分散液中，先加入硅纳米颗粒和氮源，一次超声分散，再加入硼源，二次超声分散后，冷冻干燥，得含B、N的氧化石墨烯包覆硅纳米复合材料；（3）在惰性气氛中，将含B、N的氧化石墨烯包覆硅纳米复合材料进行热处理，水洗，干燥，即成。本发明负极材料组装的电池较好地解决了硅负极材料在充放电过程中体积急剧膨胀的问题，循环性能、大倍率电化学性能好，成本低；本发明方法工艺简单，适宜于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种硅纳米负极材料及其制备方法，具体涉及一种B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米负极材料及其制备方法。

背景技术

由于锂离子电池具有高电压、高比能量、长循环寿命和对环境友好等特点，成为便携式电子产品、移动产品、电动汽车的理想配套电源。受便携式电子设备、移动产品、电动汽车的快速发展影响，急切需要高能量密度、高比容量的新型锂离子电池，而发展新型的锂离子电池负极材料是关键。传统石墨负极的理论容量只有372 mAh·g^-1，已经严重制约了整个锂离子电池行业的发展。硅（Si）负极材料具有高理论容量、低放电平台、资源丰富和安全性能好等优点，其理论容量可以达到4200 mAh·g^-1，是一种极具可能取代商业化石墨负极的电极材料。因此，将硅基材料作为锂离子电池的负极越来越受到广大研究者的关注。

但是，Si负极材料在充放电过程中晶格的剧烈变化阻碍了纯Si的使用：在Li⁺与Si负极材料发生合金化过程时会导致负极材料重复膨胀与收缩，其体积增加近300%，由体积变化产生的应力会引起Si相的结构改变并破坏固态电解质界面（SEI）膜，对于商业化电池循环寿命来说，SEI膜的存在是至关重要的；去合金化步骤中的Si收缩使SEI膜易于破裂和剥落，活性材料与集电器之间的电接触被破坏，从而导致电极快速失效。针对上述问题，研究者们探索了多种提高硅负极材料循环性能的方法，例如，降低硅材料颗粒粒径、形成多孔材料、硅薄膜材料、硅纳米线、硅复合材料等，其中，比较有效的方法是制备成硅基复合材料来缓解在充放电过程中的体积膨胀，此方法已经广泛应用于锂离子电池负极材料的改性研究中。

CN107565109A公开了一种高稳定的锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，是采用多孔碳和石墨烯对硅颗粒进行包覆。虽然该材料在一定程度上提高了电池材料的导电性和电池的循环性能，但是，该方法还是不能很好的防止硅颗粒的粉化，并且制作的流程繁琐，不利于产业化。

CN109192937A公开了一种硅碳负极材料的制备方法，是采用球磨法，用无定型碳将Si/SiO_x进行包覆，然后用HF对材料进行腐蚀。虽然该材料在一定程度上缓解了放电过程中硅材料的膨胀，从而提高了电池材料的循环性能，但是，该方法并不能从根本上抑制硅颗粒的体积膨胀，且不能适应大电流充放电。

综上，亟待找到一种在充放电过程中结构稳定，循环性能、大倍率电化学性能好，成本低，工艺简单，适宜于工业化生产的以硅材料作为负极的锂离子电池负极材料及其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种在充放电过程中结构稳定，组装的电池循环性能、大倍率电化学性能好，成本低的B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米负极材料。

本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种工艺简单，适宜于工业化生产的B、N共掺杂石墨烯包覆硅纳米负极材料的制备方法。