[发明专利]多孔氮掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极极片及锂离子电池

说明书

一种多孔氮掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极极片及锂离子电池，属于电池领域。上述制备方法包括：将含氮有机碳源以及有机分散溶剂混合并分散后包覆于硅基负极基材的表面，干燥以去除有机分散溶剂，获得负极材料前驱体；将负极材料前驱体置于惰性气氛下热处理，以使含氮有机碳源碳化；其中，含氮有机碳源和硅基负极基材的质量比为2‑20:100。通过一步反应制备多孔氮掺杂硅基负极材料，不仅设备要求低，还有效降低制作难度，易于推广。同时获得的多孔氮掺杂硅基负极材料具有首次效率高且高倍率的优点，应用于负极极片及锂离子电池中，可有效提高倍率性能。

技术领域

本申请涉及电池领域，具体而言，涉及一种多孔氮掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极极片及锂离子电池。

背景技术

近年来，能源领域特别是锂离子电池和超级电容器吸引了人们的广泛关注。目前锂电池的商业化程度成熟，而作为锂电池的四大主材(正极材料、负极材料、隔膜、电解液)之一，负极材料的性能对电池性能具有关键影响。现行负极材料主要种类与特性如表一所示，目前市场上锂电厂商主要选择石墨作为锂电池的负极材料，石墨属于碳负极材料中的一种，包括人造和天然石墨，由于其具有良好的循环稳定性、优异的导电性且层状结构具有良好的嵌锂空间，至今仍为最广泛用于锂电池中。但随着对于锂电池性能要求的不断提高，石墨作为负极材料的主要缺点也就显露出来，即为理论克电容量低(372mAh/g)、长循环次数时造成层状结构容易剥离脱落等，限制了锂电池比能量和性能的进一步提升。

近几年来，科研、企业研发工作者都致力于使用硅材料替代碳负极材料，由于硅可以和锂形成二元合金，且具有超过石墨10倍的理论容量(4200mAh/g)而备受关注。另外，硅也具有低的脱嵌锂电压平台(低于0.5V vs Li/Li+)，与电解液反应活性低，在地壳中储量丰富、价格低廉等优点，自然成为一种具有前景的锂电池负极材料。然而，硅作为锂电池负极具有致命的缺点，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，形成硅锂合金后造成很大的体积膨胀(约300％)。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成了体积间的间隙，反复循环下导致材料结构粉化进而使电池容量、寿命急剧降低。

因此，目前研究人员主要通过硅碳复合材料的制备工艺以提升锂电池容量，降低硅颗粒膨胀粉碎弊端，但是对提高硅基负极材料倍率性能的研究相对较少。并且值得一提的是，目前硅基负极的制备方法通常较为复杂，难以大规模的生产。

有鉴于此，特此提出本申请。

发明内容

本申请提供了一种多孔氮掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极极片及锂离子电池，其能够解决上述至少一个技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种多孔氮掺杂硅基负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

将含氮有机碳源以及有机分散溶剂混合并分散后包覆于硅基负极基材的表面，干燥以去除所述有机分散溶剂，获得负极材料前驱体。

将所述负极材料前驱体置于惰性气氛下热处理，以使所述含氮有机碳源碳化。

其中，所述含氮有机碳源和所述硅基负极基材的质量比为2-20:100。

上述制备方法采用液相包覆掺杂的方法，保证包覆和造孔效果更均匀，并且通过一步反应得到具有高倍率性能的多孔氮掺杂硅基负极材料，不仅设备要求低，还有效简化操作工艺且降低制作难度，易于推广。

上述制备方法利用特定比例的含氮有机碳源、造孔剂和硅基负极基材，主要以含氮有机碳源作为碳源和氮源，在高温下热处理以使含氮有机碳源分解形成碳包覆层，碳包覆层能够减少硅基负极基材的表面缺陷，并且分解过程中通过原位掺杂的方式在包覆层中形成碳氮键，得到氮掺杂改性的碳层包覆硅基负极材料，利用氮原子的掺入能够增大无定型碳包覆层的层间距，给锂离子的嵌入和脱出提供更多的通道，同时含氮有机碳源分解产生的气体使碳包覆层产生一定的孔隙，提供额外的储锂位，提高多孔氮掺杂硅基负极材料的倍率性能和容量。