一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，涉及一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，包括如下步骤：以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；将混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温碳化。相对于现有技术，本发明专利技术采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法。
技术介绍
近年来，由于电动汽车领域的不断发展，目前工信部等四部委在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出，2020年规划目标中要求单体电池能量密度达到300wh/kg，这对于采用石墨(理论克容量372mAh/g)作为负极的传统锂离子电池是一个巨大的挑战。而硅具有4200mAh/g的理论容量，且脱嵌平台低(＜0.5VVsLi/Li+),硅基材料是有望成为下一代锂离子负极材料的主流之一的材料。然而硅基材料有一个致命的缺点：在锂离子从硅材料脱嵌过程中，体积变化很大，易导致电极材料的粉化和电极性能的恶化，从而使得电池循环性能较差。有鉴于此，本专利技术旨在提供一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其采用原位氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料，从而得到硅碳复合材料，该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，以用含氮量高的三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100～500℃，保温0.1～5h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分。纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温至500～1000℃，功能结构组分碳化0.5～24h，脱去功能结构中的氧和氢，冷却后打散、过筛，得到致密的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤二得到的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料具有核壳结构，壳层为嵌入有纳米硅的氮掺杂碳层，核层为石墨，所述氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。该壳层厚度在500nm～5μm，导电性好，而且在石墨表面铺展性能好，包裹效果优异，另外石墨烯有柔性，为硅电化学膨胀提供了空间，维护了材料结构稳定性。功能结构组分均匀的包覆在石墨表面。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，壳层的质量为核层质量的5～30％。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯，改性石墨烯能够与有机酸和三聚氰胺反应。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的有机酸为含-COOH的有机物，从而能够和三聚氰胺和改性石墨烯加热反应，生成功能结构组分。并且-COOH官能团的个数为1～5，碳原子数为2～20。优选的，有机酸为柠檬酸、硬脂酸、乙二酸中的至少一种。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的纳米硅悬浊液中的硅含量为5～50％，硅的粒径为30～100nm，纳米硅悬浊液中的液体为水、乙醇、丙酮、异丙醇、正丁醇、四氢呋喃和甲基丁酮中的至少一种。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述石墨为人造石墨、天然石墨和中间相碳微球中的至少一种。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一所述的干燥的温度60～200℃。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤一中，有机酸、改性石墨烯、三聚氰胺、纳米硅颗粒、石墨的质量比为(10～30)：(0.1～1)：(10～30)：(0.1～5)：100。作为本专利技术氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法的一种改进，步骤二所述回转炉的转速为0.1rpm～1000rpm；所述惰性气氛包括氦气、氮气、氩气、二氧化碳中的至少一种。相对于现有技术，本专利技术制备的材料具有核壳结构，壳层为嵌入有纳米硅的氮掺杂碳层，核层为石墨，其中，氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。三聚氰胺、有机酸和改性石墨烯原位反应生成的N-C功能组分碳化得到的壳层具有导电性好，在石墨表面铺展性好的优点，而且石墨烯的柔性能够给硅膨胀预留空间，从而本专利技术的材料循环性能和倍率性能优异，能够更好的满足动力锂离子电池的需求。此外，本专利技术工艺简单，操作方便，适用于大规模的生产制备。具体实施方式实施例1本实施例提供了一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，首先称取150g三聚氰胺，200g柠檬酸作为有机酸，5g改性石墨烯粉末，10％固含量的硅悬浊液(乙醇作溶剂)100g放入搅拌罐中，硅的粒径为30～100nm，在小型搅拌器上混匀，然后再称取1000gD50＝15μm人造石墨，倒入搅拌罐中，搅拌均匀后，转移放入80℃烘箱中干燥。其中，改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯步骤二，烘干后研磨，过325目筛，粉体转放入到回转炉腔体中，回转炉的转速为800rpm，通入N2保护，加热至300℃，保温3h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中。然后继续升温至800℃碳化4h。待样品冷却后，取出样品，研磨，过325目筛网，得到致密的氮掺杂碳包覆硅复合石墨的的硅碳复合材料。步骤二得到的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料具有核壳结构，壳层为嵌入有纳米硅的氮掺杂碳层，核层为石墨，氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。壳层的质量为核层质量的15％，壳层厚度在500nm～5μm。实施例2本实施例提供了一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，至少包括如下步骤：步骤一，首先称取250g三聚氰胺，250g柠檬酸作为有机酸，8g改性石墨烯粉末，12％固含量的硅悬浊液(丙酮作溶剂)80g放入搅拌罐中，硅的粒径为30～100nm，在小型搅拌器上混匀，然后再称取1000gD50＝10μm天然石墨，倒入搅拌罐中，搅拌均匀后，转移放入100℃烘箱中干燥。其中，改性石墨烯为接枝有-OOH，-OH官能团的石墨烯步骤二，烘干后研磨，过325目筛，粉体转放入到回转炉腔体中，回转炉的转速为600rpm，通入氩气保护，加热至400℃，保温4h，三聚氰胺的氨基分别和有机酸、改性石墨烯中的羧基反应，生成含C-N键，有机酸的羧基和改性石墨烯中的羟基生成酯类的功能结构组分，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中。然后继续升温至900℃碳化5h。待样品冷却后，取出样品，研磨，过325目筛网，得到致密的氮掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：步骤一，以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，保温0.1~5h，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温至500~1000℃，碳化0.5~24h，冷却后打散、过筛，得到致密的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：步骤一，以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯与纳米硅悬浊液混合均匀，然后再加入石墨，混合均匀，干燥；步骤二，将步骤一中混合好的干燥物料研磨过筛，然后将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热至100~500℃，保温0.1~5h，纳米硅颗粒嵌入三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分中；然后继续升温至500~1000℃，碳化0.5~24h，冷却后打散、过筛，得到致密的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其特征在于，步骤二得到的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料具有核壳结构，壳层为嵌入有纳米硅的氮掺杂碳层，核层为石墨，所述氮掺杂碳层是由三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分碳化得到的。3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其特征在于，壳层的质量为核层质量的5~30%。4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆硅复合石墨材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述的改性石墨烯为接枝有-COOH，-OH官能团的石墨烯。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：康飞宇，谌芳园，贺艳兵，何中林，王鹏，武洪彬，李宝华，程光春，林平，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，湖北融通高科先进材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44