【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池，具体涉及到一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、锂离子电池已经广泛应用于电动汽车及先进电子设备等领域，负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响着电池的性能和寿命。硅由于在常温下具有3579mah g-1的理论比容量，是目前商业化石墨的十倍而受到广泛关注。然而，硅基负极材料在嵌锂的过程中伴随着巨大的体积膨胀可能导致电极表面破裂；另一方面，其表面固体电解质膜结构不稳定而连续生长使得硅负极电化学性能快速衰减，循环寿命低。近年来，研究者们在硅的纳米化技术方面已经取得了显著的成果，但纳米硅作为活性物质来构筑的电极材料和碳结构的纳米设计一方面使原材料成本过高；另一方面是纳米化设计降低了材料的振实密度和电极密度，从而制约了硅负极体积性能的提升。如专利cn 117199329 a将四氧化铼嵌入碳纳米管包覆纳米硅构建多层复合结构，改善硅的导电性的同时抑制了硅的体积膨胀。同样的，专利cn 117174885a、cn 114976026 a等同样通过构建炭包覆纳米硅结构抑制硅的体积膨胀。虽然这些策略取得了一定的成效，但是这些硅碳负极材料的合成工艺复杂，原料成本高，往往只适应于实验室合成不能大规模商业化。
2、微米硅相对纳米硅具有成本低廉、振实密度高等特点，从而有效规避了纳米硅的固有缺陷。然而，对于微米硅负极，传统的表面包覆结合预留空间的结构无法有效地保证其循环稳定性，这是因为一方面微米硅的膨胀为各向异性，对于微米级且尺寸不一的硅颗粒，难以针对每个颗粒精确设计预留空间以缓冲膨胀；另一方面是包覆层
3、因此，本专利技术旨在设计一种由氮掺杂竹炭包覆微米硅的复合负极材料，其既能有效缓冲内部微米级硅颗粒的膨胀，同时氮掺杂的碳纳米管又极大的提升了其电子扩散速率，从而使得该材料具有长循环寿命的特点。
技术实现思路
1、本专利技术目的是克服现有技术的不足，提供一种氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法。该方法以绿色环保的竹炭作为包裹微米硅的碳源，并与氮掺杂的碳纳米管协同构建了具有高韧性的多级缓冲结构，对内能够稳定循环过程中破碎的微米硅颗粒，保护破裂的硅与电解液接触；外层的氮掺杂碳纳米管极大的提升了微米硅负极材料的电子扩散速率，从而在脱嵌锂的过程中实现长循环性能。本专利技术的制备方法制备的硅含量为20％的电极在0.2ag-1下的首次库伦效率不低于87.7％；经过500次循环后，容量保持率不低于85.7％。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
4、将竹炭与微米硅混合包覆后，以三聚氰胺为氮源和碳源，通过化学气相沉积法原位生长出氮掺杂的碳纳米管，即得。
5、所述的氮掺杂竹炭封装微米级硅做锂离子电池负极材料的质量为100％计，微米硅颗粒占比15-30％，石墨质量比10-30％，竹炭及碳纳米管质量占比45-60％。
6、上述的氮掺杂竹炭封装微米级硅做锂离子电池负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
7、(1)将微米硅、石墨和竹炭经球磨机混合后得到a产品；
8、其中，微米硅、石墨和竹炭分别为a产品质量的15～30％，10-30％，45～60％；
9、所述的微米硅的粒径为1～3μm；
10、(2)将六水合硝酸钴和三聚氰胺加入无水乙醇中，室温下搅拌20-60min，真空抽滤至混合物上，50-80℃真空干燥，得到b产品；
11、其中，六水合硝酸钴与混合物的质量比为1：8～12；六水合硝酸钴和三聚氰胺质量比为1:1；
12、(3)将步骤(2)中得到的b产品移入管式炉，在氩气保护下，加热至700-900℃，碳化2-6h，获得氮掺杂的碳纳米管，得到的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料。
13、所述的步骤(1)中的球磨机频率为15-25hz，球磨时间为20-60min。
14、所述的步骤(2)中的搅拌转速为600～800r。
15、所述的步骤(3)中的温度设置为：以5-10℃/min的升温速率加热到700-900℃，保温2-6小时。
16、所述方法得到的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的应用，用于做锂离子电池负极。
17、具体包括如下步骤：实施例子获得的硅碳负极材料：羧甲基纤维素(cmc)：丁苯橡胶(sbr)：导电炭黑(sp)按质量比80:4:6:10混合，加入去离子水制成浆料，均匀的涂覆在涂炭铜箔上，120℃真空干燥24小时，得到硅碳负极极片；涂层厚度为10-15μm；
18、本专利技术的锂离子电池除硅碳负极片外，还包括隔膜，正极片和电解液；锂片正极，隔膜为pp膜或pe膜。正极片、隔膜与本专利技术的硅碳负极片依序层组装。
19、所述的电解液的组分为含有10vol％氟vol％代碳酸乙烯酯(fec)和1vol％碳酸亚乙烯酯(vc)添加剂的碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(ec/dec，1:1，v/v)。
20、本专利技术的有益效果为：
21、(1)本专利技术以绿色可再生的竹炭作为微米硅的碳层包覆层，通过简单的操作工艺后将微米硅包覆在内层，抑制硅的体积膨胀，通过原位生长的氮掺杂的碳纳米管在硅与碳层之间“穿针引线”，增强了碳层与硅之间的结合力，使得碳层结构在硅的脱嵌锂过程中保持强韧的稳定性；致密的碳纳米管网络阻止了电解液与硅直接接触，有利于硅形成稳定的sei膜，保持电极的完整性；以本专利技术的制备方法制备的硅含量为20％的电极在0.2ag-1下的首次库伦效率不低于87.7％；在1ag-1下获得625.4mah g-1的初始容量，经过500次循环后，容量保持率不低于85.7％。
22、(2)本专利技术的碳源为绿色可再生的竹炭，具有成本低，来源丰富的特点，这对将持续可再生能源应用到储能领域具有重要的意义。
23、(3)本专利技术的氮掺杂竹炭封装微米硅复合负极材料成本低。采用低成本的微米硅降低了原材料的成本，涉及到的制备工艺简单，不需要很高的技术成本，易推广实现大规模商业化，整个制备工艺不产生有害的副产品。
24、(4)本专利技术的氮掺杂竹炭封装微米硅复合负极材料工艺流程灵活，可以调节前期硅与碳的比例，粘结剂的浓度，得到不同硅含量和不同炭包覆厚度的微米硅碳复合负极。
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1.一种氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为所述的步骤(2)中的搅拌转速为600～800r。
3.如权利要求1所述的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为所述的步骤(3)中的温度设置为：以5-10℃/min的升温速率加热到700-900℃，保温2-6小时。
4.如权利要求1所述方法得到的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的应用，其特征为用于做锂离子电池负极。
5.如权利要求5所述方法得到的材料的应用，其特征为包括如下步骤：氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料：羧甲基纤维素(CMC)：丁苯橡胶(SBR)：导电炭黑(SP)按质量比80:4:6:10混合，加入去离子水制成浆料，均匀的涂覆在涂炭铜箔上，120℃真空干燥24小时，得到硅碳负极极片；涂层厚度为10-15μm；
【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为所述的步骤(2)中的搅拌转速为600～800r。
3.如权利要求1所述的氮掺杂竹炭封装微米级硅负极材料的制备方法，其特征为所述的步骤(3)中的温度设置为：以5-10℃/min的升温速率加热到700-900℃，保温2-6小时。
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