[发明专利]一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料，所述氮掺杂碳包覆硅纳米材料的掺氮量为4.0‑4.2wt％。本发明还公开了一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料的制备方法和应用。本发明所制备的氮掺杂碳包覆硅纳米材料具有高掺氮量、大比表面积和孔径多样化的特征，同时可以通过调控聚吡咯的量来控制包覆碳的厚度，有效地控制硅材料的膨胀，灵活性较大，整个制备过程简单易操作，适宜成本低。试验证明，本发明氮掺杂碳包覆硅纳米材料的比表面积明显大于未包覆前的硅纳米材料，达到242.7m²/g；本发明氮掺杂碳包覆硅纳米材料的孔径在2‑10nm范围，具有多样化的孔径结构。

技术领域

本发明涉及硅纳米材料技术领域，具体涉及氮掺杂碳包覆硅纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

动力电动车的续航里程关系着人们需求的变化及未来汽车行业的发展。为了实现动力电池300wh/kg的能量密度，以三元材料替代市场化的磷酸铁锂、钴酸锂作为锂离子电池的正极材料是必然的选择。与此同时，以硅碳材料替代石墨负极，成倍的提升电池的能量密度，是新能源汽车产业发展的必然趋势。这主要是因为硅具有较低的平台电位，超高的理论容量(3800mAh/g，Li₁₅Si₄； 4200mAh/g，Li₁₅Si₄，是市场化石墨容量的近10倍)，高表面积，高振实密度以及制备简单等优点，因此具有极大的应用前景。但是，硅材料作为负极材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化，致使电池性能急剧的衰减。目前，提高硅材料循环稳定性的方式有很多，常见的有碳包覆和中空两种方式。其中，碳包覆制备硅纳米材料的方法有很多，Chun-Sing Lee教授以葡萄糖作为有机碳源，通过模板法和温和的液相还原过程获得了具有核壳结构的Si/C材料，导电的碳层及中空的结构为材料提供了优异的锂电性能；但是其较为复杂的步骤及制备方法严重地制约了材料的产量。阿尔伯塔大学的陈中伟教授通过原味生长的方法在硅纳米线表面均匀地生长出碳层，极大地提高了材料的导电性及机械稳定性，同时材料也表现出非常可观的容量及循环性能。但是由于操作条件的局限性，极大地提高了生产成本，不适用于大规模的生产要求。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料及其制备方法和应用，本发明所述氮掺杂碳包覆硅纳米材料具有高氮、比表面积大和多孔结构的特征，极大地提高了将其作为负极材料的电池的性能。

本发明提出了一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料，所述氮掺杂碳包覆硅纳米材料的掺氮量为4.0-4.2wt％。

本发明还提出一种所述氮掺杂碳包覆硅纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将硅纳米分散液置于水浴装置中水浴，调节pH，搅拌，然后在搅拌的条件下加入聚吡咯，继续搅拌，得到混合液；

S2、将混合液进行抽滤，得沉淀物，用去离子水洗涤沉淀物，干燥；在氮气氛围下，将沉淀物高温碳化，得到氮掺杂碳包覆硅纳米材料。

优选地，S1中，所述硅纳米分散液的浓度为39-41wt％。

优选地，S1中，所述调节pH为采用逐滴加入氨水进行调节。

优选地，S1中，调节pH至9.5-10.5。

优选地，S1中，调节pH后搅拌25-35min。

优选地，S1中，加入聚吡咯后继续搅拌5-7h。

优选地，S1中，所述水浴的温度保持为0℃。

优选地，S1中，所述硅纳米分散液与聚吡咯的体积比为10：0.5-1.5。

优选地，S2中，所述碳化的温度为以3℃/min升温至880-920℃，并保持温度2.5-3.5h。

本发明还提出一种氮掺杂碳包覆硅纳米材料的应用，应用于锂离子电池负极材料。