【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池材料，尤其是一种氮掺杂的硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、考虑到目前传统不可再生能源的日益枯竭和间歇性能源开发的发展，开发低成本、高效率的新型储能设备与可再生能源电源相匹配是目前能源战略的重中之重。在所有的候选储能产品中，占据便携式电子产品市场主导地位的锂离子电池是首选。人们对重量更轻、寿命更长、容量更高的先进锂电池的需求持续不断。然而，传统的碳质负极正在接近其理论容量极限(372mah/g)。硅(si)和氧化硅(siox)已被认为是下一代锂离子电池负极材料的可行替代品。与同样小于0.5v反应电位的石墨相比，它们具有3,572mah/g(li15si4)的高理论比容量。然而si与锂离子反应通常会引起剧烈的体积变化(>300％)，从而导致电极在重复充电/放电过程中损坏。这严重影响了si负极的循环性能。人们为了缓解si负极体积膨胀带来的弊端，进行了各种材料设计。
2、中国专利cn201810396791.2公开了一种硅碳负极材料制备方法及多孔硅碳微球负极材料，首先研磨硅粉得到硅微分浆料，然后将石墨化处理后的碳微粉以及包覆碳源加入浆料中，并进行超声处理，然后进行喷雾干燥，得到硅碳微球，再对硅碳微球进行碳化处理、刻蚀处理，然后对碳化硅碳微球洗涤干燥，得到多孔硅碳微球负极材料，这种合成方式复杂，且合成过程中石墨化工序温度极高，耗能大，在工业化过程中不易实现；中国专利cn202111330715.x以硅材料粉末和微米石墨为原材料，经喷雾造粒、低温沥青氮掺杂融合包覆和粉碎处理后，利用氮掺杂和硅
技术实现思路
1、本专利技术的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种氮掺杂的硅碳负极材料及其制备方法，可以改善硅基负极材料在锂离子电池循环过程中的体积膨胀带来的弊端，提升硅基负极材料在锂离子电池中的循环性能，并且合成工艺简单，反应条件可控，可以显著降低硅碳负极材料的生产成本。本专利技术采用的技术方案是：
2、一种氮掺杂的硅碳负极材料，其中：所述硅碳负极材料包括氮掺杂碳骨架，负载在氮掺杂碳骨架上的硅活性粒子和覆盖在硅活性粒子外的二次包覆碳层，按质量分数计，所述硅活性粒子的质量占比为10％-80％，氮掺杂碳骨架的质量占比为20％-90％，包覆碳层的质量占比为3％-20％。
3、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其中：所述硅活性粒子的存在形式为si和siox，其中0＜x≤2。
4、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其中：所述氮掺杂碳骨架的微观结构为多孔结构，二次包覆碳层为含碳胺类化合物裂解生成。
5、一种氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：包括以下步骤：
6、s1.氮掺杂碳的合成：在反应炉中的反应容器中装入含碳胺类化合物，并升温至300-800℃预烧结，随后将所述反应炉中持续通入惰性气体保护，控制所述反应炉中的温度升高至500-1200℃，并封闭所述反应炉，保温1-24h，降温，得到氮掺杂碳；
7、s2.氮掺杂碳刻蚀：在回转炉的反应容器中装入氮掺杂碳，随后将所述回转炉中持续通入惰性气体保护，控制所述回转炉的温度在600℃～1000℃，向所述回转炉中加入刻蚀剂对氮掺杂碳刻蚀，之后洗涤、干燥，得到氮掺杂多孔碳；
8、s3.硅活性物质的沉积：将氮掺杂多孔碳置于气相沉积炉中，并通入硅源和惰性气体进行硅活性物质的沉积，得到氮掺杂碳/硅复合材料；
9、s4.将氮掺杂碳/硅复合材料通过导电性碳进行二次碳包覆，得到氮掺杂的硅碳负极材料。
10、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s1中含碳胺类化合物选自尿素、氰胺、二氰二胺、缩二脲、缩三脲、三聚氰胺中的一种或多种。
11、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s1中预烧结的时间为1-24h，惰性气体选自氮气、氩气、氦气、氖气、氪气中的一种或几种，预烧结后反应炉的升温速率为1℃/min-20℃/min。
12、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s2中刻蚀时间为2-4h。
13、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s2中刻蚀剂选自液体刻蚀剂和固体刻蚀剂的一种或两种，所述液体刻蚀剂选自水蒸气、co2的一种或两种，所述固体刻蚀剂选自koh、naoh、kcl、licl中的一种或多种，所述刻蚀剂为液体刻蚀剂时通过喷雾的形式通入回转炉中对氮掺杂碳刻蚀，所述刻蚀剂为固体刻蚀剂时和氮掺杂碳混合后加入回转炉的反应容器中对氮掺杂碳刻蚀。
14、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s3中硅源选自甲硅烷、乙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅中的一种或多种，沉积温度为300℃-1000℃，保护气体与硅源流量比例为10：1-1:1。
15、优选的是，所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其中：步骤s4中二次碳包覆步骤采用固相包覆或气相沉积包覆；当导电性碳包覆采用固相包覆时，具体工艺为：在保护气体中将氮掺杂碳/硅复合材料与有机碳源混合并在800-1200℃烧结1-24h得到氮掺杂的硅碳负极材料，所述有机碳源为石油沥青、煤沥青、中温沥青、高温沥青、煤焦油、石油工业重质油、重质芳香烃、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂中的一种或几种；当导电性碳包覆采用气相沉积包覆时，具体工艺为：将氮掺杂碳/硅复合材料置于气相沉积炉中，并通入碳源和保护气体进行碳包覆，碳源选自甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔中的一种，碳包覆的温度为800-1000℃，碳包覆的时间为0.5-12h。
16、本专利技术的机理如下：
17、含碳胺类化合物具有高的碳原子比，通过高温裂解可以得到氮掺杂的碳材料，硅材料与含碳材料，特别是杂原子掺杂碳复合能够获得更优的电化学性能，并且碳材料不仅可以为电子的传输提供方便的途径，还可以提供缓冲支持，进一步缓解硅在放电/充电时的结构膨胀/收缩，显著保证高电化学活性和循环稳定性；在各种杂原子中，氮原子比碳原子具有更高的电负性，这调节了本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅碳负极材料包括氮掺杂碳骨架，负载在氮掺杂碳骨架上的硅活性粒子和覆盖在硅活性粒子外的二次包覆碳层，按质量分数计，所述硅活性粒子的质量占比为10%-80%，氮掺杂碳骨架的质量占比为20%-90%，包覆碳层的质量占比为3%-20%。
2.如权利要求1所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅活性粒子的存在形式为Si和SiOx，其中0＜x≤2。
3.如权利要求1所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述氮掺杂碳骨架的微观结构为多孔结构，二次包覆碳层为含碳胺类化合物裂解生成。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中含碳胺类化合物选自尿素、氰胺、二氰二胺、缩二脲、缩三脲、三聚氰胺中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中预烧结的时间为1-24h，惰性气体选自氮气、氩气、氦气、氖气、氪气中的一种
7.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中刻蚀时间为2-4h。
8.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中刻蚀剂选自液体刻蚀剂和固体刻蚀剂的一种或两种，所述液体刻蚀剂选自水蒸气、CO2的一种或两种，所述固体刻蚀剂选自KOH、NaOH、KCl、LiCl中的一种或多种，所述刻蚀剂为液体刻蚀剂时通过喷雾的形式通入回转炉中对氮掺杂碳造孔，所述刻蚀剂为固体刻蚀剂时和氮掺杂碳混合后加入回转炉的反应容器中对氮掺杂碳刻蚀。
9.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中硅源选自甲硅烷、乙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅中的一种或多种，沉积温度为300℃-1000℃，保护气体与硅源流量比例为10：1-1:1。
10.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中二次碳包覆步骤采用固相包覆或气相沉积包覆；当导电性碳包覆采用固相包覆时，具体工艺为：在保护气体中将氮掺杂碳/硅复合材料与有机碳源混合并在800-1200℃烧结1-24h得到氮掺杂的硅碳负极材料，所述有机碳源为石油沥青、煤沥青、中温沥青、高温沥青、煤焦油、石油工业重质油、重质芳香烃、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂中的一种或几种；当导电性碳包覆采用气相沉积包覆时，具体工艺为：将氮掺杂碳/硅复合材料置于气相沉积炉中，并通入碳源和保护气体进行碳包覆，碳源选自甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔中的一种，碳包覆的温度为800-1000℃，碳包覆的时间为0.5-12h。
...【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅碳负极材料包括氮掺杂碳骨架，负载在氮掺杂碳骨架上的硅活性粒子和覆盖在硅活性粒子外的二次包覆碳层，按质量分数计，所述硅活性粒子的质量占比为10%-80%，氮掺杂碳骨架的质量占比为20%-90%，包覆碳层的质量占比为3%-20%。
2.如权利要求1所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述硅活性粒子的存在形式为si和siox，其中0＜x≤2。
3.如权利要求1所述的氮掺杂的硅碳负极材料，其特征在于：所述氮掺杂碳骨架的微观结构为多孔结构，二次包覆碳层为含碳胺类化合物裂解生成。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中含碳胺类化合物选自尿素、氰胺、二氰二胺、缩二脲、缩三脲、三聚氰胺中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中预烧结的时间为1-24h，惰性气体选自氮气、氩气、氦气、氖气、氪气中的一种或几种，预烧结后反应炉的升温速率为1℃/min-20℃/min。
7.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中刻蚀时间为2-4h。
8.根据权利要求4所述的氮掺杂的硅碳负极材料的制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：马浩，蒋颉，夏建超，谢煜，贾莉伟，
申请(专利权)人：无锡威孚环保催化剂有限公司，
类型：发明
国别省市：
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