[发明专利]一种碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料及其制备方法，涉及新一代电化学储能领域，包括富氮中空碳微球，及依次包覆在富氮中空碳微球表面的硅包覆层和碳包覆层。本发明中富氮中空碳微球作为载体和导电网络，在其表层均匀包覆单质硅和碳层，形成碳‑硅‑碳三层中空碳微球的结构，该结构具有大的空腔结构、高孔隙率及优良的导电性和结构稳定性，该材料表现出高的放电比容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能等优点，在高比能锂离子电池及后端的电动汽车、储能基站和便携式设备领域具有广阔的应用前景，且其制备工艺简单，易于工业化生产。

技术领域

本发明涉及新一代电化学储能领域，尤其涉及一种碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，锂离子电池随着科技进步的快速发展，性能有很大的提高。就目前来说，锂离子电池拥有的储能功能，使其有着不可替代的地位。而锂离子电池的负极是存储锂源的主体，负极的优良与否可以说决定了锂离子电池的优良与否。目前所用的锂离子负极材料，主要分为碳基材料和非碳基材料，碳基负极材料的主要缺点是材料的比容量低、扩散系数不高、倍率性能一般。因此，非碳基材料受到越来越多的关注，硅基材料就是其中的一种。然而硅负极材料用于锂离子电池在充放电过程中会发生巨大的体积效应，导致电池结构的坍塌，难以形成SEI膜，因此，必须解决硅材料体积膨胀的问题，才能使得硅基材料广泛应用到锂离子电池中，在其表面包覆其它材料就是一种很好的解决途径。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料及其制备方法，该复合材料表现出高的放电比容量、稳定的循环性能和良好的倍率性能。

本发明提出的一种碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料，包括富氮中空碳微球，及依次包覆在富氮中空碳微球表面的硅包覆层和碳包覆层。

优选地，富氮中空碳微球的比表面积为100～500m²/g，平均直径为50～300nm，平均壁厚为10～30nm；优选地，氮元素质量占复合材料质量的1～2％，硅元素质量占复合材料质量的3～10％。

本发明还提出了上述碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、以低聚氰胺类化合物作为碳源和氮源，乙酸钴作为固相催化剂和模板，将低聚氰胺类化合物和乙酸钴混合，然后在低真空度或惰性气氛下恒温梯度固相烧结，冷却，将烧结产物用盐酸浸泡洗涤，抽滤，去离子水洗涤，干燥，得富氮中空碳微球；

S2、将富氮中空碳微球和硅酸钠混合，加入乙醇和十六烷基三甲基溴化铵，超声搅拌，然后向其中滴加盐酸至不产生沉淀为止，沉淀物经过滤干燥后进行煅烧处理，得SiO₂包覆的富氮中空碳微球；

S3、将SiO₂包覆的富氮中空碳微球在还原气氛下进行高温还原，得到单质硅包覆的富氮中空碳微球；

S4、以碳源气体为反应气体，采用化学气相沉积在硅包覆的富氮中空碳微球的表面包覆一层碳，即得碳硅双包覆氮掺杂中空碳微球复合材料。

优选地，S1中，低聚氰胺类化合物和乙酸钴的质量比为1：0.5～2；优选地，低聚氰胺类化合物选自三聚氰胺、二聚氰胺中的一种或其混合物。

优选地，S1中，恒温梯度固相烧结条件为：500～600℃保温1～2h，600～750℃保温1～2h，700～800℃保温1～2h；优选地，恒温梯度固相烧结的升温速率为1～5℃/min；优选地，低真空度为-0.4～-0.7MPa。

优选地，S2中，富氮中空碳微球和硅酸钠的质量比为1：1.4～2；优选地，十六烷基三甲基溴化铵加入量为硅酸钠质量的2～10％。

优选地，S2中，超声搅拌6～12h；优选地，沉淀物在200-250℃煅烧2-4h。