[发明专利]一种氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料及其制备方法，所述氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料是在硅基材料表面包覆具有优异柔韧性的石墨烯，除了能提高硅基材料的电子导电性，还能有效缓解硅基材料在锂离子嵌入/脱出过程中产生的体积应力，减少硅基材料的体积膨胀率。通过本发明所制备的氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料，其氮掺杂的石墨烯包覆层更均匀，极大的发挥出氮掺杂的石墨烯的导电性以及力学性能，极大的提高了硅基负极材料的循环稳定性和充放电效率。通过对苯并咪唑类聚合物结构的调整实现对石墨烯中氮掺杂量的控制，且制备得到的改性硅基材料中氮原子的分布更加均匀，更有利于提升锂离子电池的容量和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长以及环境友好等优点，因此，锂离子电池得到了广泛的应用。目前，石墨作为锂离子电池中最常用的负极材料，其理论比容量为372mAh/g，使锂离子电池向更高能量密度的发展受到了限制，而硅材料的理论比容量可达到4200mAh/g，实际比容量大于3000mAh/g，当其代替石墨作为锂离子电池的负极材料时，可显著提升锂离子电池的能量密度，是非常有应用前景的下一代负极材料。

但是，硅是半导体材料，其导电率较低，这非常不利于其快速充放电。此外，硅材料在脱嵌锂的过程中会发生巨大的体积变化，使得负极材料表面的SEI膜不断地发生破裂-再生长-破裂-再生长，这导致以硅材料为负极材料的锂离子电池的首次充放电效率低、循环性能差。因此，如何改善硅材料的电导率，并降低其在充放电时的体积膨胀，从而提高锂离子电池的首次充放电效率和循环寿命，受到了越来越多的关注。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料及其制备方法，本发明的氮掺杂的石墨烯包覆硅基材料可以改善石墨烯与硅基材料包覆不均匀的问题。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种改性硅基材料，其中，所述改性硅基材料具有核壳结构，其中核材料包括硅基材料，壳材料包括氮掺杂的石墨烯，所述氮掺杂的石墨烯包覆在硅基材料表面，所述壳材料中氮原子的含量为3～10％。

根据本发明，所述氮掺杂的石墨烯通过聚合物裂解形成并包覆在硅基材料表面。

根据本发明，所述硅基材料选自氧化亚硅、纳米硅、碳化硅、二氧化硅中的至少一种。

根据本发明，所述硅基材料的粒径和形状对锂离子电池性能的影响较大，具体地，所述硅基材料的平均粒径为5nm～20μm。所述硅基材料的形状为规则或不规则的颗粒状、片状、线状、棒状、空心球状、管状、多孔颗粒状中的至少一种。

根据本发明，所述氮掺杂的石墨烯中的氮为吡咯和/或吡啶型氮。

根据本发明，所述壳材料中氮原子的含量例如为4.5～8％，再例如为3.0～4.5％、4.8～4.9％、5～5.5％、5.5～6％、6～8％或8～10％。本发明中，所述的壳材料中氮原子(N)的含量为氮原子的原子量占壳材料(包括氮掺杂的石墨烯)中总原子量(N、O、C)的原子百分含量。

根据本发明，所述壳材料的厚度10nm。选择此厚度范围的壳材料可以更好地提高硅基材料的电子导电性，有效缓解硅基材料在锂离子嵌入/脱出过程中产生的体积应力，减少硅基材料的体积膨胀率，若所述壳材料的厚度大于等于10nm时，则不利于缓解硅基材料在锂离子嵌入/脱出过程中产生的体积应力，更不利于减少硅基材料的体积膨胀率。

根据本发明，所述改性硅基材料的粒径为6nm～20μm。

根据本发明，所述改性硅基材料中硅基材料的质量百分含量为94％～99.995％，所述改性硅基材料中氮掺杂的石墨烯的质量百分含量为0.005％～6％。