一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，属于锂离子电池负极材料技术领域，包括以下步骤：(1)、按配方称取吡咯和硅碳复合材料加入到去离子水中搅拌混合均匀；(2)、将步骤(1)中配好的溶液置于冰水混合物的水浴锅中，加入氯化铁溶液；(3)、将步骤(2)中的溶液加入离心机中，离心沉淀，收集沉淀物，洗涤并真空干燥后获得前驱体材料；(4)、将步骤(3)中获得的前驱体材料装入坩埚，置于真空炉中，恒温无氧碳化4

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，尤其是涉及一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法。

技术介绍

[0002]硅作为锂离子电池负极材料具有储锂容量高的优势，是新一代高容量锂离子负极材料的首选。但是硅材料在脱嵌锂过程中伴随有超过300％的体积膨胀，容易造成颗粒粉化，电极结构不稳定，跟电解液产生的副反应增多，不断形成新的SEI膜，从而循环寿命不佳。此外，硅材料时半导体，其导电性也需进一步改善。目前常用的方法是将硅纳米化，并与碳材料复合制备硅碳复合负极材料来使用。石墨是锂离子电池中已经大规模商业化应用的碳类负极材料，目前其实际储锂容量已经接近其理论储锂容量，容量进一步提升有限，性能不稳定。目前硅碳材料表面主要以碳包覆为主，碳包覆层性能的优劣严重影响材料的循环稳定性，而氮元素掺杂的碳包覆层由于原子掺杂形成结构缺陷，不仅提升包覆层的机械稳定性更好的适应材料的体积变化不容易破裂，而且可以为锂离子的传输提供更多的通道，有利于获得更好的循环寿命，基于此，提出一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，通过在硅碳复合材料表面进行氮元素掺杂碳包覆层修饰，改善导电性，使包覆层具有更好的机械力学性能，能更好的适应硅材料的体积变化，同时在表面形成的氮掺杂碳包覆层存在的结构缺陷，为锂离子的传输扩散提供更多的电化学活性位点，改善材料的储锂性能，提升循环寿命。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，包括以下步骤：
[0005](1)、按配方称取吡咯和硅碳复合材料加入到去离子水中搅拌混合均匀，为了保证包覆的均匀性，控制硅碳复合材料的固含量在2
‑
5wt.％以内，吡咯的加入量为硅碳复合材料的2
‑
16wt.％；
[0006](2)、将步骤(1)中配好的溶液置于冰水混合物的水浴锅中，加入浓度为1wt.％的氯化铁溶液作为氧化剂，连续搅拌6
‑
12小时，使吡咯在硅碳复合材料表面发生聚合反应；
[0007](3)、将步骤(2)中的溶液加入离心机中，在1000
‑
3000转/分钟的速度下离心沉淀，收集沉淀物，洗涤并真空干燥获得前驱体材料；
[0008](4)、将步骤(3)中获得的前驱体材料装入坩埚，置于真空炉中，控制升温速度在3
‑
5℃/分钟，在800
‑
1000℃的恒温无氧碳化4
‑
6小时，得到表面具有氮掺杂碳包覆层的硅碳复合负极材料。
[0009]优选的，所述步骤(1)制备硅碳复合材料中，首先用去离子水配置固含量2
‑
5wt.％的硅碳复合负极材料悬浮液，根据需求在悬浮液中加入硅碳复合材料的2
‑
16wt.％的吡咯
作为掺氮碳包覆层的氮源和碳源。
[0010]优选的，所述步骤(1)中，吡咯的加入量根据包覆量需求控制。
[0011]优选的，所述步骤(2)中，为了保证聚合反应完全，采用浓度为1wt.％的氯化铁溶液作为氧化剂促进吡咯在硅碳复合材料表面聚合，氯化铁溶液的加入量为吡咯的1.5倍。
[0012]优选的，所述步骤(3)中，将收集的沉淀物用去离子水反复洗涤3
‑
5次，除去残留的铁离子和氯离子。
[0013]因此，本专利技术一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，关键是以吡咯作为掺氮碳包覆层的氮源和碳源，氯化铁溶液作为氧化剂促进吡咯在硅碳复合材料表面聚合，通过在硅碳复合材料表面进行氮元素掺杂碳包覆层修饰，改善导电性，使包覆层具有更好的机械力学性能，能更好的适应硅材料的体积变化，同时在表面形成的氮掺杂碳包覆层存在的结构缺陷，为锂离子的传输扩散提供更多的电化学活性位点，改善材料的储锂性能，提升循环寿命。
[0014]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0015]图1为本专利技术硅碳复合负极材料的SEM和能谱；
[0016]图2为本专利技术实施例1、对比例1制得的硅碳复合材料的循环寿命曲线。
具体实施方式
[0017]以下通过附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0019]本专利技术提供了一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，通过在硅碳复合材料表面进行掺氮碳包覆，材料的循环性能显著提升。图1为本专利技术硅碳复合负极材料的SEM和能谱。
[0020]实施例1
[0021](1)首先，称取50g硅碳复合负极材料加入到去离子水中搅拌，配置成固含量3wt.％的悬浮液，然后在悬浮液中加入3g的吡咯搅拌混合均匀，吡咯的加入量为硅碳复合材料的6wt.％；
[0022](2)将4.5g氯化铁加入到去离子水中，配置浓度为1wt.％的氯化铁溶液作为氧化剂，为了保证聚合反应完全，氧化剂氯化铁的加入量为吡咯的1.5倍，然后将步骤(1)配好的溶液置于冰水混合物的水浴锅中，缓慢加入配置好的氯化铁溶液，连续搅拌反应12小时，使吡咯在硅碳复合材料表面发生聚合反应；
[0023](3)将步骤(2)的溶液加入离心机在3000转/分钟的速度下离心沉淀，并将收集的沉淀物用去离子水反复洗涤3
‑
5次，除去残留的铁离子和氯离子，并真空干燥获得前驱体材料；
[0024](4)将步骤(3)获得的前驱体装入坩埚，置于真空炉中，控制升温速度在3℃/分钟，在800℃的恒温无氧碳化4小时，得到表面具有掺氮碳包覆层的硅碳复合负极材料；
[0025]实施例2
[0026](1)首先，称取50g硅碳复合负极材料加入到去离子水中搅拌，配置成固含量3wt.％的悬浮液，然后在悬浮液中加入1g的吡咯搅拌混合均匀，吡咯的加入量为硅碳复合材料的2wt.％；
[0027](2)将1.5g氯化铁加入到去离子水中，配置浓度为1wt.％的氯化铁溶液作为氧化剂，为了保证聚合反应完全，氧化剂氯化铁的加入量为吡咯的1.5倍，然后将步骤(1)配好的溶液置于冰水混合物的水浴锅中，缓慢加入配置好的氯化铁溶液，连续搅拌反应12小时，使吡咯在硅碳复合材料表面发生聚合反应；
[0028](3)将步骤(2)的溶液加入离心机在3000转/分钟的速度下离心沉淀，并将收集的沉淀物用去离子水反复洗涤3
‑
5次，除去残留的铁离子和氯离子，并真空干燥获得前驱体材料；
[0029](4)将步骤(3)获得的前驱体装入坩埚，置于真空炉中，控制升温速度在3℃/分钟，在800℃的恒温无氧碳化4小时，得到表面具有掺氮碳包覆层的硅碳复合负极材料；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合负极材料表面掺氮碳包覆的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、按配方称取吡咯和硅碳复合材料加入到去离子水中搅拌混合均匀，控制硅碳复合材料的固含量在2
‑
5wt.％以内，吡咯的加入量为硅碳复合材料的2
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16wt.％；(2)、将步骤(1)中配好的溶液置于冰水混合物的水浴锅中，加入浓度为1wt.％的氯化铁溶液，连续搅拌6
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12小时；(3)、将步骤(2)中的溶液加入离心机中，在1000
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3000转/分钟的速度下离心沉淀，收集沉淀物，洗涤并真空干燥后获得前驱体材料；(4)、将步骤(3)中获得的前驱体材料装入坩埚，置于真空炉中，控制升温速度在3
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5℃/分钟，在800
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1000℃的恒温无氧碳化4
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘文平，秦海青，韦炳吕，雷晓旭，唐慧杰，莫祖学，张振军，卢安军，
申请(专利权)人：中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：