【技术实现步骤摘要】
本申请涉及一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法及其应用。
技术介绍
1、传统的锂电负极材料为石墨，其理论比容量为372mah/g，目前市面上的石墨产品的比容量已非常接近其理论值，石墨的能量密度提高有限。硅的理论比容量可以达到4200mah/g，因此纳米硅负极是锂电池材料的研究热点。然而，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，形成硅锂合金，此过程会造成较大的体积膨胀；放电时锂离子从晶格间脱出，则又形成了很大的收缩。正是因为其体积膨胀收缩效应大的缺点，限制了其大规模推广应用。相对而言氧化亚硅在锂化过程中体积变化较小，且其成本低廉、易于合成，因而被认为是极具潜力的单质s i的替代品。但氧化亚硅的体积膨胀问题仍会导致活性材料粉碎、电极崩解，以及固体电解质界面膜(sei)的不断破裂和形成，上述问题最终表现出来就是循环稳定性差。此外，氧化亚硅材料由于活性氧的存在，会消耗电池中部分的锂离子，导致氧化亚硅的不可逆容量的增加，降低了其首次库伦效率。氧化亚硅负极材料的本征电导率也比较低，导致了较差的倍率性能。这些因素共同制约了锂离子电池中氧化亚硅负极的大规模应用。
2、因此氧化亚硅负极材料的研制仍需要考虑如何解决其体积膨胀和首效低的问题，减少氧化亚硅在循环中颗粒破碎和粉化，最终在保证比容量的前提下，达到提高材料首效和循环寿命的目的。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本申请一方面提出了一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，包括如下步骤：将氧化亚硅颗粒粉碎并一次分散到掺氮源的碳源中得
2、将前驱体一次炭化，得到中间产物；
3、将中间产物进行再次粉碎得到一级颗粒；
4、将一级颗粒二次炭化处理得到氮掺杂碳包覆氧化亚硅材料。本申请实现了氧化亚硅的均匀碳包覆和磷改性，不但能够解决氧化亚硅导电性差的问题，同时能够改善复合材料与电解液之间的接触效果，降低锂离子在迁移过程中的阻力，减少极化现象。该制备方法安全可靠、流程短，便于大规模工业化生产。
5、优选的，所述氮源为苯胺，所述碳源为酚醛树脂。本申请通过在酚醛树脂合成过程中引入有机氮源，实现氮在碳前驱体中的均匀分布，通过多段焙烧方式可以实现氮在氧化亚硅表面进行有效结合和均匀掺杂。
6、优选的，将氧化亚硅颗粒进行球磨粉碎，得到粒径低于100μm的硅源再分散到碳源当中。
7、优选的，按照如下方法得到前驱体：
8、将苯酚、苯胺和去离子水混合，在65-70℃下得到混合溶液；
9、将硅源加入到混合溶液中，持续搅拌，加热的温度为65-70℃，时间不少于3h；
10、将硅源混合物加入到甲醛溶液中，控制苯酚和甲醛的摩尔比为1：(1.5-2)，进行第一次加热回流；随后再加入氨水，氨水的加入量为苯酚质量的5-10％，进行第二次加热回流反应；然后再进行固化反应得到多孔炭前驱体。
11、优选的，所述氧化亚硅、去离子水和苯酚，苯胺的质量比为(0.5-1.5):(3-5):1:(0.1-0.2)。
12、优选的，第一次加热回流的温度为65-70℃，时间为10-20min；第二次加热回流的温度为65-70℃，时间为1.5-2h；固化反应的温度为150-180℃，时间为0.5-2h。
13、优选的，一次炭化分为低温焙烧、高温炭化两个阶段；
14、低温焙烧是按照如下方式进行：将前驱体放入到炭化炉中，隔绝氧气，先加热到80-100℃，持续20-30min；
15、然后升温到150-250℃，保持1-10h，即完成了低温焙烧。
16、高温炭化按照如下方式进行：
17、升温到500-700℃处理1-5h得到中间产物。
18、优选的，将中间产物进行球磨粉碎，得到粒径低于100μm的一级颗粒。
19、优选的，一级颗粒按照如下方式进行二次炭化：
20、将一级颗粒在60-120l/h的ch4氛围中于500-700℃处理1-5h，最终得到碳包覆氧化亚硅材料。
21、氮掺杂碳包覆氧化亚硅材料在锂电负极中的应用。本申请制备的氮掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的比容量在1500mah/g以上，首效高于90％，循环1000圈仍能保持90％以上的比容量，是一种电化学性能优异的锂电负极材料。
22、本申请能够带来如下有益效果：
23、1.本申请实现了氧化亚硅的均匀碳包覆和磷改性，不但能够解决氧化亚硅导电性差的问题，同时能够改善复合材料与电解液之间的接触效果，降低锂离子在迁移过程中的阻力，减少极化现象。该制备方法安全可靠、流程短，便于大规模工业化生产。
24、2.本申请通过在酚醛树脂合成过程中引入有机氮源，实现氮在碳前驱体中的均匀分布，通过多段焙烧方式可以实现氮在氧化亚硅表面进行有效结合和均匀掺杂。
25、3.本申请制备的改性氧化亚硅复合材料的比容量在1500mah/g以上，首效高于90％，循环1000圈仍能保持90％以上的比容量，是一种电化学性能优异的锂电负极材料。
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1.一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：所述氮源为苯胺，所述碳源为酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：将氧化亚硅颗粒进行球磨粉碎，得到粒径低于100μm的硅源再分散到碳源当中。
4.根据权利要求3所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：按照如下方法得到前驱体：
5.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：所述氧化亚硅、去离子水和苯酚，苯胺的质量比为(0.5-1.5):(3-5):1:(0.1-0.2)。
6.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：第一次加热回流的温度为65-70℃，时间为10-20min；第二次加热回流的温度为65-70℃，时间为1.5-2h；固化反应的温度为150-180℃，时间为0.5-2h。
7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：一次炭化
8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：将中间产物进行球磨粉碎，得到粒径低于100μm的一级颗粒。
9.根据权利要求8所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：一级颗粒按照如下方式进行二次炭化：
10.权利要求1-9任一所述的氮掺杂碳包覆氧化亚硅材料在锂电负极中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：所述氮源为苯胺，所述碳源为酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：将氧化亚硅颗粒进行球磨粉碎，得到粒径低于100μm的硅源再分散到碳源当中。
4.根据权利要求3所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：按照如下方法得到前驱体：
5.根据权利要求4所述的一种氮掺杂碳包覆氧化亚硅的合成方法，其特征在于：所述氧化亚硅、去离子水和苯酚，苯胺的质量比为(0.5-1.5):(3-5):1:(0.1-0.2)。
6.根据权利要求4所述的一种氮掺...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜洪彦，赵春利，田晓录，李春辉，刘严，杨溪芹，张晶晶，
申请(专利权)人：烟台先进材料与绿色制造山东省实验室，
类型：发明
国别省市：
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