[发明专利]一种氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料的制备方法，属于新能源材料及电化学领域，所述方法包括以下步骤：(1)将纳米硅粉置入溶剂中，经超声分散后加入引发剂溶液并充分搅拌混合，得分散液A；所述纳米硅粉的粒径为30～80nm；(2)向步骤(1)所得分散液A加入碳源搅拌混合并发生聚合反应后，过滤并将所得固体洗涤干燥，得前驱体B；所述碳源包括吡咯、多巴胺和苯胺中的至少一种；所述纳米硅粉的质量与碳源的体积之比为0.15～0.25g：400～800μL；(3)将步骤(2)所得前驱体B加热煅烧后冷却，即得所述氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料。本发明还提供了所述方法制备的氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料和包含了所述氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料的锂离子电池。

技术领域

本发明属于新能源材料及电化学领域，具体涉及一种氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前应用最广、商业化程度最高的储能电池。自上世纪末索尼公司将其发展并商业化以来，锂离子电池在人们的生产生活中发挥着巨大作用，如电动汽车、便携式电子设备等。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨，然而，石墨负极的理论容量较低(372mAh/g)，无法满足当前锂离子电池高能量密度的发展需求。因此，开发高容量的负极材料是目前锂离子电池发展的重要课题。硅基材料具有理论容量高(4200mAh/g)，脱嵌锂电位较低，含量丰富且成本低等优点，为此受到了广泛关注，被认为是未来最有潜力的锂离子电池负极材料之一。然而，这类材料也存在一些重要问题，最显著的就是在锂化过程中体积膨胀严重，易导致电极材料粉化并脱落，严重影响电池的循环稳定性；同时，硅基材料导电性较差，不利于电化学反应过程中的电子传输，从而影响电池性能。为了克服以上缺点，目前常见的解决策略主要有以下两种：一是减小硅基材料尺寸，从而缓解应力，进而缓解材料的体积效应；二是将硅基材料与导电性优异的材料进行复合，一方面提高电极材料导电性，同时导电基底也能在一定程度上缓解硅的体积效应。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明一个目的在于提供一种简单工艺流程、成本低廉且适用于产业化应用的氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米硅粉置入溶剂中，经超声分散后加入引发剂溶液并充分搅拌混合，得分散液A；所述纳米硅粉的粒径为30～80nm；

(2)向步骤(1)所得分散液A加入碳源搅拌混合并发生聚合反应后，过滤并将所得固体洗涤干燥，得前驱体B；所述碳源包括吡咯、多巴胺和苯胺中的至少一种；所述纳米硅粉的质量与碳源的体积之比为0.15～0.25g：400～800μL。

(3)将步骤(2)所得前驱体B加热煅烧后冷却，即得所述氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料。

本发明所述氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料的制备方法过程中，在引发剂的作用下碳源发生聚合并将体系中的小粒径的纳米硅粉均匀包裹混合，不仅使硅源与碳源充分紧密结合，同时引入了氮元素提高材料整体的导电性；通过限定材料中的硅源和碳源的添加比例，可使最终制备的氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料在拥有较高电化学容量的同时保持材料整体的结构稳定性；制备的氮掺杂碳与纳米硅复合负极材料具有核壳结构，可使外层包裹的碳层可对活性硅粉产生限域作用。与传统硅基材料制备方法相比，该方法环保高效，成本低廉且操作简易，可用于大规模工业化生产。

优选地，所述步骤(1)中，所述溶剂包括去离子水、乙醇、乙二醇、异丙醇和丙二醇中的至少一种。更优选地，所述步骤(1)中，纳米硅粉纳米硅粉的质量与溶剂的体积比为0.15～0.25g：250～350mL。选用上述优选溶剂并与纳米硅粉按特定比例混合可使纳米硅粉在超声处理的作用下均匀分散。