一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法包括：制备SiO

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于能量密度相对高、循环寿命相对长等优点被广泛用作手机、平板电脑、笔记本电脑和其他便携式电子产品的主要电源，并逐渐扩展用于混合动力汽车、电动汽车以及电动非机动车的电源。锂离子电池主要由正极、负极、隔膜以及电解液构成。当电池通过外部电路连通时，由于正负两个电极的锂化学势不同，化学反应在电极上进行，伴随着锂离子在电池内部进行转移过程，电子则通过外部电路形成电流。
[0003]锂离子电池负极材料通过嵌锂和脱嵌过程实现充放电过程，常用的负极材料有导电石墨、石墨烯、炭黑、合金化合物及TiO2/过度金属氧化物等。纯硅材料由于理论比容量高（4200 mAh/g），成本低、储量丰富、环境友好等特点被用于作为电极进行广泛研究，其中就包括氧化硅、氧化亚硅等硅氧化物。硅材料通过嵌锂和脱嵌锂来实现电池的充放电，但嵌锂过程容易使材料晶格常数增大，导致体积膨胀造成活性材料粉化、电极产生裂纹，嵌锂能力迅速下降，最终电池容量迅速衰减。另外，硅材料负极还存在导电性差、电池内阻大，锂离子无法深层次嵌入等问题，导致电池容量下降、电极稳定性差等缺陷。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料，本专利技术还提供了该基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法和应用，以解决现有硅负极存在的易粉化、产生裂纹、电极衰减迅速、导电性差、电池容量低及稳定性差等缺陷。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法，包括以下步骤：制备SiO
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@C核壳材料：提供质量分数为5%～10%的弱碱水溶液、酚醛树脂前驱体、纳米氧化亚硅以及导向剂，所述酚醛树脂前驱体的体积不超过弱碱水溶液体积的10%，先向弱碱水溶液中添加纳米氧化亚硅及导向剂并一级超声10～60 min，再将酚醛树脂前驱体滴加到弱碱水溶液中并持续一级超声，30～60℃下反应10～60 min后，离心收集沉淀，所述沉淀经干燥、炭化后，制得介孔炭包覆的改性氧化亚硅复合材料，即SiO
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@C核壳材料；制备改性石墨烯纤维：提供N
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甲基吡咯烷酮和SiO
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@C核壳材料并混匀，所述N
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甲基吡咯烷酮与SiO
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@C核壳材料的质量之比为100:5～20，再依次向N
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甲基吡咯烷酮中添加氮掺杂石墨烯及CNTs，所述SiO
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@C核壳材料、氮掺杂石墨烯及CNTs的质量之比为100:5～20:5～20，添加CNTs及氮掺杂石墨烯的同时对N
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甲基吡咯烷酮进行二级超声，超声完后再向N
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甲基吡咯烷酮中添加成纤聚合物并转移至120～126℃油浴锅中，搅拌混匀后作为纺丝
原液，使用沿出丝方向内径变大的纺丝针头进行静电纺丝、收集、剪切，制得长度为0.2～10 mm的改性石墨烯纤维；制备基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料：提供改性石墨烯纤维、导电石墨、水性分散剂、粘结剂和去离子水并混匀成初级浆料，所述改性石墨烯纤维、导电石墨、粘结剂和水性分散剂的质量之比为100～500:2～5:2～5:0.2～2，将初级浆料转移到球磨机上球磨5～20 min，球磨后得到基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料；所述纳米氧化亚硅的尺寸为50～100 nm。
[0006]本专利技术基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法包括：制备SiO
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@C核壳材料步骤、制备改性石墨烯纤维步骤以及制备基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料步骤。制备SiO
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@C核壳材料步骤中，先向弱碱水溶液中添加纳米氧化亚硅及导向剂并一级超声，由此纳米氧化亚硅借助于一级超声均匀分散成粒子而不至于成团，分散的纳米氧化亚硅作为后续酚醛树脂聚合反应的模板，辅助后续纳米炭介孔球的生成。一级超声结束后，迅速将酚醛树脂前驱体滴加到弱碱水溶液中并持续一级超声，30～60℃下反应10～60 min，此时酚醛树脂前驱体在碱性溶液的催化作用下聚合生成酚醛树脂链，同时借助于导向剂的作用，后生成的酚醛树脂链以纳米氧化亚硅粒子作为模板并镶嵌在二氧化硅纳米粒子上，由此制得类似红毛丹状的氧化亚硅/酚醛树脂核
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壳复合结构。反应后，通过离心方式收集沉淀，沉淀转移至高温炭化炉中完成高温炭化，炭化过程在，酚醛树脂经过高温炭化过程形成纳米炭介孔球，纳米氧化亚硅经过高温活化过程得到改性氧化亚硅纳米粒子（即SiO
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），由此得到介孔炭包覆的改性氧化亚硅复合材料，即SiO
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@C核壳材料。介孔树脂纳米球经过高温炭化过程制得纳米介孔球，纳米介孔球为碳材料，具有良好的导电性，同时由高温炭化过程，使得纳米介孔球形成大量的表面空隙，方便后续氮掺杂石墨烯及CNTs（碳纳米管）的嵌入，具有稳定氮掺杂石墨烯及CNTs的作用，有助于构建三维导电框架，提升整体的导电性，也有助于锂离子通过三维导电框架而嵌入或者脱嵌到改性氧化亚硅中，提升电极的容量。另外，改性氧化亚硅作为电极活性材料，改性氧化亚硅相对于氧化亚硅在充放电过程中具有更小的体积变化，不超过200%，且通过纳米介孔球包覆改性氧化亚硅纳米粒子，防止改性氧化亚硅纳米粒子发生团聚，也能起到缓冲改性氧化亚硅体积变化产生的结构应力，防止电极粉化和产生裂纹。
[0007]制备改性石墨烯纤维步骤中，将SiO
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@C核壳材料、氮掺杂石墨烯及CNTs添加到N
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甲基吡咯烷酮中，同时对混合体系进行二级超声。氮掺杂石墨烯先添加到N
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甲基吡咯烷酮中，借助于超声分散的作用，氮掺杂石墨烯优先与SiO
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@C核壳材料混合并嵌入SiO
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@C核壳材料。氮掺杂石墨烯相比于石墨烯具有更好的亲水性，氮掺杂石墨烯疏水端倾向嵌入SiO
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@C核壳材料中，亲水端倾向于露出SiO
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@C核壳材料外，这种结构也能起到促进SiO
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@C核壳材料稳定分散的作用。再将CNTs添加到混合系中，CNTs相比于氮掺杂石墨烯具有更小的体积，借助于超声分散的作用，CNTs能够进一步嵌入SiO
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@C核壳材料及氮掺杂石墨烯上以增强SiO
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@C核壳材料作为充放电单元的导电性能，纳米SiO
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@C核壳结构也能起到维持分散CNTs的作用。最后借助于纺丝过程将导电结构：SiO
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@C核壳结构、氮掺杂石墨烯及CNTs一起固定在疏松多孔的网格纤维上，制备出高效的充放电纤维和导电纤维。充放电成分及导电成分均分布在网格纤维上，具有较好的固定作用，能够有效防止导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备SiO
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@C核壳材料：提供质量分数为5%～10%的弱碱水溶液、酚醛树脂前驱体、纳米氧化亚硅以及导向剂，所述酚醛树脂前驱体的体积不超过弱碱水溶液体积的10%，先向弱碱水溶液中添加纳米氧化亚硅及导向剂并一级超声10～60 min，再将酚醛树脂前驱体滴加到弱碱水溶液中并持续一级超声，30～60℃下反应10～60 min后，离心收集沉淀，所述沉淀经干燥、炭化后，制得介孔炭包覆的改性氧化亚硅复合材料，即SiO
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@C核壳材料；制备改性石墨烯纤维：提供N
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甲基吡咯烷酮和SiO
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@C核壳材料并混匀，所述N
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甲基吡咯烷酮与SiO
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@C核壳材料的质量之比为100:5～20，再依次向N
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甲基吡咯烷酮中添加氮掺杂石墨烯及CNTs，所述SiO
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@C核壳材料、氮掺杂石墨烯及CNTs的质量之比为100:5～20:5～20，添加CNTs及氮掺杂石墨烯的同时对N
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甲基吡咯烷酮进行二级超声，超声完后再向N
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甲基吡咯烷酮中添加成纤聚合物并转移至120～126℃油浴锅中，搅拌混匀后作为纺丝原液，使用沿出丝方向内径变大的纺丝针头进行静电纺丝、收集、剪切，制得长度为0.2～10 mm的改性石墨烯纤维；制备基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料：提供改性石墨烯纤维、导电石墨、水性分散剂、粘结剂和去离子水并混匀成初级浆料，所述改性石墨烯纤维、导电石墨、粘结剂和水性分散剂的质量之比为100～500:2～5:2～5:0.2～2，将初级浆料转移到球磨机上球磨5～20 min，球磨后得到基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料；所述纳米氧化亚硅的尺寸为50～100 nm。2.如权利要求1所述的基于氮掺杂石墨烯/改性氧化亚硅的负极材料的制备方法，其特征在于，在制备SiO
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@C核壳材料步骤中，所述弱碱水溶液为氨水或者碳酸钠水溶液，所述酚醛树脂前驱体包括酚类和醛类，所述酚类为苯酚或者氨基苯酚，所述醛类为甲醛或者乙醛，所述导向剂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，李强，井明召，林盛焕，
申请(专利权)人：深圳市明盛威先导科技有限公司，
类型：发明
国别省市：