[发明专利]单分散二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球或微球的宏量制备方法

说明书

本发明涉及一种单分散二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球或微球的宏量制备方法，有以下步骤：1)将酚源和醛源溶解在去离子水中，加入表面活性剂和无机硅源搅拌均匀，加热反应，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球；在酸性乙醇条件下除去表面活性剂，制得多孔二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球；所述的多孔二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球在惰性气氛下碳化，得到产物。本发明具有如下优势：合成工艺简单，成本低廉；降低了合成成本，同时可采用喷雾干燥法批量制备，更适合于工业化应用；可有效提高材料的导电性和电化学性能；粒径在20‑80nm可调，呈单分散状态，作为锂离子电池负极材料表现出高比电容，极佳的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种可应用于锂离子电池负极材料的单分散二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球或微球的宏量制备方法。

背景技术

二氧化硅是一种常见的工业原料，广泛应用于玻璃和陶瓷等领域。近年来，作为一种高容量锂离子电池负极材料得到广泛研究。二氧化硅作为负极材料除了具有廉价、容量高的优点外，也具有如下缺点：(1)低导电性使其电化学性能较差；(2)脱嵌锂过程中体积变化大，由于应力不均导致材料粉化破粹；(3)颗粒尺寸容易团聚。

目前，解决上述问题的有效方法是对二氧化硅进行碳包覆和纳米化，另外异质掺杂杂原子也可有效提升电化学性能。碳包覆层不仅可以有效增加材料的导电性，同时可以缓冲二氧化硅在脱嵌锂过程中巨大的体积变化。Li等通过设计碳包覆SiO₂，在电流密度为100mA g^-1时其容量提升至720mAh g^-1。另外，设计具有特殊结构的材料也可以在一定程度上解决体积变化问题，例如核壳结构和中空结构，空腔可有效抑制二氧化硅的膨胀。Zhang等人设计了中空的介孔碳/二氧化硅纳米球，所获得材料具有较高的可逆容量，在0.5A/g的电流密度下循环500圈，容量仍保持在440.7mA g^-1。但目前二氧化硅/碳复合材料合成成本较高，容量较低，无法应用于商业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、价格低廉、电化学性能优异的单分散的二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球或微球的宏量制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：单分散二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球或微球的宏量制备方法，包括有以下步骤：

1)将酚源和醛源按一定比例溶解在去离子水中，加入表面活性剂和无机硅源搅拌均匀，加热反应，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球；将得到的二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球在酸性乙醇条件下除去表面活性剂，制得多孔二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球；

2)所述的多孔二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球在惰性气氛下碳化，得到单分散的二氧化硅/氮掺杂碳复合纳米球。

按上述方案，将步骤1)制备的多孔二氧化硅/酚醛树脂复合纳米球通过喷雾干燥法制得二氧化硅/酚醛树脂复合微球；所述的二氧化硅/酚醛树脂复合微球在惰性气氛下碳化，得到单分散的二氧化硅/氮掺杂碳复合微球。

按上述方案，步骤1)所述的无机硅源是四丙氧基硅烷，所述的酚源为间氨基苯酚，所述的醛源为六亚甲基四胺，所述的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

按上述方案，步骤1)所述四丙氧基硅烷含量控制在0.16～0.21mol/L。

按上述方案，步骤1)所述的表面活性剂含量在0.006～0.027mol/L。

按上述方案，步骤1)所述的间氨基苯酚和六亚甲基四胺的摩尔比为1:1。

按上述方案，步骤1)所述的加热反应温度为85℃，搅拌反应24h。

按上述方案，所述的喷雾干燥温度为220℃。