一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池领域，公开一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，包括步骤：(1)静电纺丝：将高分子粘结剂、纳米硅粉和溶剂混合得到纺丝液，进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维膜；(2)原位聚合包覆聚吡咯：在所述前驱体纳米纤维膜表面气相法吸附碘单质，再吸附吡咯单体，进行聚合反应，得到复合纳米纤维；(3)热处理：将所述复合纳米纤维在保护气氛下进行煅烧。本发明专利技术的制备方法气相吸附原位聚合包覆聚吡咯的过程使得聚吡咯包覆更均匀，热处理后得到均匀的氮掺杂多孔碳包覆在硅颗粒上的复合纳米纤维，该方法生产工艺简便可靠，原材料廉价易得，设备要求低，易实现大规模生产。易实现大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法。

技术介绍

[0002]硅因其高比容量、低嵌锂电位等优点被认为是具有广阔应用前景的下一代锂离子电池负极材料，然而，硅负极在充放电过程中的巨大体积变化不仅使得材料结构发生改变，还带来了多种负面效应，引起电池的快速失效。碳材料具有较高的电子电导率，为复合材料提供了良好的导电网络；碳包覆层可以约束和缓冲硅的体积膨胀，阻止纳米硅的团聚及电解液渗透，形成稳定的界面和SEI膜，因此碳材料被认为是与硅复合的最佳材料。
[0003]静电纺丝技术能制备形貌可控，具有多孔结构、较大比表面积的材料，多孔结构能有效缓解电池反应过程中的体积变化，较大的比表面积能提供更多的活性位点。通过静电纺丝技术将纳米硅颗粒装入空心碳纤维中，不仅能提高材料的导电性，也为硅纳米颗粒预留了足够的空间，有效抑制了因纳米硅的体积膨胀带来的不良影响。通过这个方法，使得硅碳复合材料充分发挥各自的优势。
[0004]在碳层中掺杂氮(N)等杂原子能够改性碳层表面的官能团，增加材料表面活性、导电率、存储容量。采用涂层法对碳纳米管进行氮掺杂有利于保持碳纳米管的本征结构及特性，同时发挥表面氮掺杂增强碳纳米管活性和电性能。聚吡咯(PPy)是一种典型的含氮聚合物，具有导电性好、容易聚合、低成本、性能稳定、对环境友好、热解后形貌沿袭性能佳等优点而被广泛研究。采用吡咯涂层法制备的氮掺杂碳材料是硅碳材料中良好的包覆材料。
[0005]专利CN 108149343 A通过原位聚合包覆聚吡咯时，首先要将悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜调节为酸性，将水温降至2
±
1摄氏度，加入吡咯单体和三氯化铁溶液，将所得混合物静置进行反应，抽滤，干燥，得到复合纳米纤维。该原位聚合包覆聚吡咯的方法操作条件严苛，需在低温酸性条件下进行；吡咯单体聚合使用三氯化铁该步骤容易引入杂质铁离子等，不利于后续复合材料电性能。

技术实现思路

[0006]针对纳米纤维在原位聚合包覆聚吡咯的方法操作条件严苛，易引入杂质离子等问题，本专利技术的制备方法通过改进了原位聚合包覆聚吡咯过程，得到氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维，使得整体操作条件更为简单、高效。
[0007]根据本专利技术的具体示例，提供一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，包括步骤：
[0008](1)静电纺丝：将高分子粘结剂、纳米硅和溶剂混合得到纺丝液，将所述纺丝液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维；
[0009](2)原位聚合包覆聚吡咯：在所述前驱体纳米纤维表面吸附碘单质，再吸附吡咯单体，进行聚合反应，得到复合纳米纤维；
[0010](3)热处理：将所述复合纳米纤维在保护气氛下进行煅烧，得到氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维。
[0011]根据本专利技术提供的实施方式，所述氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法还可以进一步包含以下附属技术特征。
[0012]本专利技术提供的制备方法中，所述静电纺丝过程中纺丝液的制备及静电纺丝的参数可根据本领域任何公知的方法进行。
[0013]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(1)中，所述高分子粘结剂、纳米硅和溶剂的质量比为1-15:1:3-200，优选为8-12:1:60-120，例如：8:1:88、9:1:88、10:1:88、11:1:88、12:1:88、12:1:60、12:1:70、12:1:80、12:1:90、12:1:100、12:1:110、12:1:120，等等。
[0014]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(1)中，所述高分子粘结剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯或聚苯乙烯中的任意一种或其组合。
[0015]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(1)中，所述纳米硅的形状为纤维、薄膜、粉体或球状材料中的任意一种或其组合。
[0016]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(1)中，所述溶剂包括乙醇、乙酸、乙二醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿或乙醚中的任意一种或其组合。
[0017]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(2)中，所述前驱体纳米纤维与所述碘单质的质量比为1：1-6，例如：1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6，等等。
[0018]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(2)中，所述碘单质与所述吡咯单体的质量比为1：1-5，例如：1:1、1:2、1:3、1:4、1:5，等等。
[0019]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(2)中，所述吸附碘单质时，是将前驱体纳米纤维与碘单质混合，使得前驱体纳米纤维表面均匀吸附碘单质。
[0020]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(2)中，所述吸附吡咯单体时，是在密闭容器中进行，所述密闭容器具有上下层结构，上下层之间具有可以连通的孔隙，所述下层具有加热装置，使用时，在所述密闭容器内充有氩气或氮气气氛，将所述前驱体纳米纤维放置于上层，所述吡咯单体放置于下层，设置加热装置的加热温度为20-120℃，加热时间为0.5-4h。由此，可以使得吡咯单体发生气化，气化后的吡咯单体通过上下层之间的孔隙进入上层，并吸附于前驱体纳米纤维表面与此前吸附的碘单质结合，然后以碘单质作为氧化剂，促进吡咯单体发生聚合反应生成聚吡咯。进一步的，在使用时，所述密闭容器的上层可以转动。由此，可以使得吡咯单体能更均匀吸附于前驱体纳米纤维表面。
[0021]在一个具体实施例中，步骤(2)中，先将前驱体纳米纤维与碘单质放入密闭容器的上层并转动密闭容器的上层，以完成吸附碘单质，然后将吡咯单体放入密闭容器的下层，并继续转动密闭容器的上层，以及设置加热装置的加热温度为20-120℃，加热时间为0.5-4h。
[0022]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(3)中，煅烧时，所述保护气氛为氩气或氮气气氛。
[0023]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(3)中，煅烧时，升温速率为1-10℃/min，例如：1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min，等等。
[0024]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(3)中，煅烧时，煅烧温度为200-1000℃，例
如：200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃，等等。
[0025]根据本专利技术提供的一些实施方式，步骤(3)中，煅烧时，煅烧时间为0.5-4h，例如：0.5h、0.8h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h，等等。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：
[0027](1)本专利技术的制备方法中，原位聚合包覆聚吡咯过程为气相吸附，氧化剂使用碘单质，吸附碘单质后，再使用可以转动的密闭容器进行吸附吡咯单体，确保吸附更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)静电纺丝：将高分子粘结剂、纳米硅和溶剂混合得到纺丝液，将所述纺丝液进行静电纺丝得到前驱体纳米纤维；(2)原位聚合包覆聚吡咯：在所述前驱体纳米纤维表面吸附碘单质，再吸附吡咯单体，进行聚合反应，得到复合纳米纤维；(3)热处理：将所述复合纳米纤维在保护气氛下进行煅烧，得到氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维。2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高分子粘结剂、纳米硅和溶剂的质量比为1-15:1:3-200。3.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高分子粘结剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯或聚苯乙烯中的任意一种或其组合。4.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述溶剂包括乙醇、乙酸、乙二醇、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿或乙醚中的任意一种或其组合。5.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述前驱体纳米纤维与所述碘单质的质量比为1：1-6。6.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏振宇，谌庆春，彭果戈，胡三元，杨远博，周政，何凤荣，
申请(专利权)人：东莞东阳光科研发有限公司，
类型：发明
国别省市：