[发明专利]一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法，将含氮物质与聚丙烯腈溶解在N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，作为鞘液；将纳米硅粉和聚乙烯吡咯烷酮溶解到N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，作为芯液；将装有芯液和鞘液的注射器分别置于静电纺丝装置的两个注射泵上进行同轴静电电纺，电纺喷射出的原丝纤维收集在滚轴上；将得到的原丝纤维置于空气气氛马弗炉中进行预氧化，然后再在惰性气体的保护气氛下碳化，碳化温度为700‑1000℃，即得氮掺杂内部碳网连通的硅@碳/碳纳米纤维核壳结构锂离子电池负极材料。采用本发明的方法得到的氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料及具有高容量和循环稳定性好的特点。

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种锂离子电池负极材料，具体来说是一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、自放电率低和能量转换效率高的特点，因而成为各种商品的电源。目前，锂离子电池从应用于便携式电子设备扩展到应用于电动(或混合)车辆等方面，相应地，对具有更高容量和循环性能好的锂离子电池的需求也变得越来越高。

作为锂离子电池的重要组成部分，负极材料直接制约着锂离子电池的电化学性能。但是，商用的锂离子电池负极材料石墨的比容量低(理论容量372mAh/g)，能量密度小，不能满足电动车大功率快充电池需求。因此，开发具有高容量和循环稳定性好的锂离子电池负极材料材料成为亟待解决的问题，也是目前研究的热点和难点。

在所有负极材料中，硅具有最高的理论比容量(4200mAh/g)，是理想的负极材料，但是硅基负极材料在充放电过程中大的体积膨胀(约300％)，导致电极粉化，导电网络破损，从而容量迅速下降。为此，碳包覆的硅电极材料得到了迅速发展，但是在循环过程中，硅体积膨胀会导致碳层破裂，从而容量下降。同时，硅在硅/碳复合材料中的比重也直接制约着材料的性能。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述的这种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法要解决现有技术中的锂离子电池负极材料比容量低、能量密度小的技术问题。

本发明提供了一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将含氮物质与聚丙烯腈溶解在N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，含氮物质与聚丙烯腈的质量比为1∶10，聚丙烯腈在N，N-二甲基甲酰胺溶剂中的质量百分比浓度为10％，磁力搅拌至完全溶解，作为鞘液；将纳米硅粉和聚乙烯吡咯烷酮溶解到N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，纳米硅粉、聚乙烯吡咯烷酮和N，N-二甲基甲酰胺溶剂的物料比为30g∶5g∶100mL，磁力搅拌并超声形成分散均一的溶液，作为芯液；

2)将装有芯液和鞘液的注射器分别置于静电纺丝装置的两个注射泵上进行同轴静电电纺，电纺喷射出的原丝纤维收集在滚轴上，纺丝条件为：纺丝电压10-20KV，纺丝距离5-25cm，芯鞘液流速分别为0.5-1.5ml/h和2.0-4.0ml/h；

3)将步骤2)得到的原丝纤维置于280℃空气氛马弗炉中进行预氧化，然后再在惰性气体的保护气氛下碳化，碳化温度为700-1000℃，即得氮掺杂内部碳网连通的硅@碳/碳纳米纤维核壳结构锂离子电池负极材料。

进一步的，所述的含氮物质为聚吡咯或者三聚氰胺。

本发明还提供了一种氮掺杂硅/碳核壳结构锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

a)一个配制前驱体溶液的步骤，在室温下，称取含氮物质，将其加入在N，N-二甲基甲酰胺溶剂中，充分磁力搅拌，然后再将聚丙烯腈粉末加入到溶液中，继续搅拌至完全溶解，作为鞘液；所述的聚丙烯腈和含氮物质的质量比为10∶1；