一种氮锂共掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种氮锂共掺杂硅碳复合材料的制备方法，包括：使用氢氟酸蒸汽对其纳米硅表面刻蚀，得到羧酸化纳米硅；把羧酸化纳米硅使用粘结剂粘连在泡沫镍上，热压；采用电化学沉积法包裹聚苯胺；采用水热反应进行锂掺杂；碳化，粉碎得到所述氮锂共掺杂硅碳复合材料。本发明专利技术还公开了上述复合材料及其应用。本发明专利技术采用羧酸化纳米硅为原料，其与苯胺通过化学键

【技术实现步骤摘要】
一种氮锂共掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术专利属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种氮锂共掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其比容量高(理论比容量4200Ah/g)，材料来源广泛，安全性能高(电压平台比石墨高约0.2V)等优点，成为高能量密度锂离子电池的负极材料的选择之一，但是硅碳负极在发生合金化反应时，伴随相变的发生，同时会有巨大的体积膨胀(约300％)，如此剧烈的体积变化会给硅基负极带来一系列的问题，如破碎、粉化，电极涂层脱落等，最终造成容量快速衰减，严重地阻碍了其在锂离子电池中的实际应用。同时，硅材料本身是半导体材料，相比较石墨类材料具有较差的导电性，且材料的离子导电性偏差，且由于硅与锂形成不可逆的硅酸锂造成首次效率下降，这也严重阻碍了硅基负极的商业化应用。

技术实现思路

[0003]因此，本专利技术要解决的技术问题在于现有硅碳材料反应时体积膨胀，导电性差、首次效率低等方面的缺陷，从而提供一种氮锂共掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]本专利技术提供一种氮锂共掺杂硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0006]S1：使用氢氟酸蒸汽对其纳米硅表面刻蚀，得到羧酸化纳米硅；
[0007]S2：羧酸化纳米硅使用粘结剂粘连在泡沫镍上，热压形成羧酸化纳米硅复合体；
[0008]S3：采用电化学沉积法在羧酸化纳米硅复合体表面包覆聚苯胺；
[0009]S4：将聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体与氨基硅烷偶联剂、过硫酸铵、有机锂盐在碳酸甲乙酯中混合，进行水热反应，得到锂掺杂的聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体；
[0010]S5：将锂掺杂的聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体碳化，粉碎得到所述氮锂共掺杂硅碳复合材料。
[0011]进一步地，步骤S1中，使用氢氟酸蒸汽对其纳米硅表面刻蚀具体为，将氢氟酸加热到80
‑
90℃形成氢氟酸蒸汽，对纳米硅表面进行刻蚀，保温1
‑
2h，得到羧酸化纳米硅。
[0012]步骤S2中，羧酸化纳米硅、粘结剂、泡沫镍的质量比为100:1～10：5
‑
30；
[0013]所述热压为在150℃下热压30min，压力为2T。
[0014]步骤S3中，所述电化学沉积法为，将羧酸化纳米硅复合体作为工作电极，1～10wt％的苯胺盐酸水溶液作为溶液，饱和甘汞为对电极，通过循环伏安法，在电压范围
‑
2V～2V，扫描速率为0.5～5mV/s的条件下扫描10～100周；
[0015]所述盐酸水溶液的中HCl为1～10wt％。
[0016]步骤S4中，所述聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体与氨基硅烷偶联剂、过硫酸铵、有机锂盐的质量比为100:1～5:1～5:5～20；
[0017]所述水热反应温度为100～200℃，反应时间1～6h；
[0018]其中碳酸甲乙酯也可以使用碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯代替。
[0019]步骤S5中，所述碳化为在800℃碳化6h。
[0020]优选地，所述氨基硅烷偶联剂为3
‑
氨基丙烷三乙氧基硅烷，3
‑
氨基丙烷三甲氧基硅烷，(3
‑
氨基丙烷)甲基二乙氧基硅烷中的一种；
[0021]有机锂盐为甲醇锂、乙醇锂、甲酸锂、草酸锂或硬脂酸锂中的一种；
[0022]粘结剂为沥青、聚乙烯醇、粘结剂CMC
‑
Li、粘结剂LA136D或β
‑
环糊精中的一种。
[0023]本专利技术还提供一种氮锂共掺杂硅碳复合材料，根据上述制备方法制得。
[0024]进一步地，所述氮锂共掺杂硅碳复合材料中，纳米硅、氮掺杂无定形碳和锂盐的质量比为80～95:3.8～18.1:0.5～4.6。
[0025]本专利技术还提供上述氮锂共掺杂硅碳复合材料的应用，应用于锂离子电池。
[0026]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0027](1)本专利技术采用羧酸化纳米硅为原料，其与苯胺通过化学键
‑
Si
‑
COO
‑
N
‑
连接，并通过电化学沉积在表面包覆纳米硅复合体，其最后碳化得到的硅碳材料，与采用液相/气相沉积无定形碳相比，本专利技术是通过电化学沉积法，通过控制材料表面的电荷，控制沉积量，具有结合牢固紧密，且内核与无定形碳是通过化学键连接具有电子阻抗低，膨胀低等优点，且电化学沉积得到的聚苯胺包覆纳米硅碳化后，得到含氮的无定形碳各向同性好，氮原子阻抗低，可以降低包覆层的阻抗，并提升材料的倍率性能。
[0028](2)本专利技术采用水热法在聚苯胺包覆纳米硅表面沉积锂盐，降低其材料的不可逆容量，提升首次效率。同时泡沫镍集流体在之后碳化过程中起到催化作用，提升反应进程。同时，聚苯胺包覆纳米硅与氨基硅烷偶联剂通过过硫酸铵的聚合作用形成三维网状结构，碳化得到三维多孔硅碳复合材料。
[0029](3)本专利技术在使用水热法沉积锂盐时，聚苯胺包覆纳米硅复合材料与氨基硅烷偶联剂在过硫酸铵的条件下发生聚合反应得到硅烷偶联剂聚苯胺复合体，使其形成网络结构。同时采用水热法，将聚苯胺包覆纳米硅复合材料、氨基硅烷偶联剂、过硫酸铵、有机锂盐的碳酸甲乙酯溶液通过水热法制备氮锂共掺杂硅碳复合材料，可以实现材料之间的均匀混合，反应更充分。
[0030](4)本专利技术最后将聚苯胺、锂盐及其硅基材料复合体碳化可以实现聚苯胺转化为碳，并利用锂盐进行预锂化降低不可逆容量提升首次效率，且可以实现材料之间的均匀混合。其采用一步碳化得到氮锂共掺杂硅碳复合材料，避免了多次碳化过程复杂，制备周期慢的问题，具有反应速度快、均匀性好等优点。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为实施例1得到的氮锂共掺杂硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0033]提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。
[0034]实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
[0035]实施例1
[0036]本实施例提供一种氮锂共掺杂硅碳复合材料，其制备方法具体为：
[0037](1)将氢氟酸加热到80℃形成氢氟酸蒸汽，之后通入盛有纳米硅的塑料器皿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮锂共掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：使用氢氟酸蒸汽对其纳米硅表面刻蚀，得到羧酸化纳米硅；S2：羧酸化纳米硅使用粘结剂粘连在泡沫镍上，热压形成羧酸化纳米硅复合体；S3：采用电化学沉积法在羧酸化纳米硅复合体表面包覆聚苯胺，得到聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体；S4：将聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体与氨基硅烷偶联剂、过硫酸铵、有机锂盐在碳酸甲乙酯中混合，进行水热反应，得到锂掺杂的聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体；S5：将锂掺杂的聚苯胺包覆羧酸化纳米硅复合体碳化，粉碎得到所述氮锂共掺杂硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，使用氢氟酸蒸汽对其纳米硅表面刻蚀具体为，将氢氟酸加热到80
‑
90℃形成氢氟酸蒸汽，对纳米硅表面进行刻蚀，保温1
‑
2h，得到羧酸化纳米硅。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，羧酸化纳米硅、粘结剂、泡沫镍的质量比为100:1～10:5～30；所述热压为在150℃下热压30min，压力为2T。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述电化学沉积法为，将羧酸化纳米硅复合体作为工作电极，1～10wt％的苯胺盐酸水溶液作为溶液，饱和甘汞为对电极，通过循环伏安法，在电压范围
‑
2V～2V，扫描速率为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忆恩，
申请(专利权)人：山西沃特海默新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：