技术领域
[0001] 本
发明属于材料领域，具体涉及一种纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料及其制备方法。
背景技术
[0002]
锂离子电池因其高比
能量、高工作
电压、宽
温度范围、无污染、长储存寿命等优势备受关注。作为高效
电能储存与转换的绿色装置，
锂离子电池被认为是小型载运工具真正实现零排放的理想动
力电源。随着手机、
笔记本电脑等便携式数码
电子产品的快速发展以及对电动
汽车的急切需求，使得寻求高能量
密度的锂离子电池成为国内外科技工作者的研究热点。
[0003] 传统商业化锂离子电池均采用石墨类材料作为其负极材料，是目前发现的综合电化学性能最好的材料。但由于石墨类材料的理论容量只有372mAh/g，与
有机溶剂相容性较差，这些问题严重限制了电池系统的动力学性能。
[0004] 相比其它负极材料，硅材料具有来源广泛、价格更低廉、电化学储能
比容量更高等突出优点，是最具开发潜力的负极材料之一。但也存在体积膨胀大、循环性差等缺点。常规工艺通
过热包覆工艺和复合碳材料以减缓硅的体积膨胀效应，但该工艺繁琐，且碳材料的比容量较低，造成生产成本较高，产品的
稳定性降低，限制其进一步的应用推广。
[0005] 因此，寻找更高
能量密度的负极材料体系是锂离子电池亟需研究的重要课题。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种克服上述
缺陷的纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料及其制备方法。
[0007] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 一方面，本发明提供一种纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料，包括石墨基体、分散在石墨基体的纳米硅颗粒及包覆在纳米硅颗粒表面的石墨相氮化碳。
[0009] 另一方面，本发明提供一种纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010] (1)将纳米硅粉、
热解碳源和阴离子
表面活性剂均匀分散在溶剂内，获得浆料1；
[0011] (2)将导电碳、石墨和阳离子表面活性剂均匀分散在溶剂内，获得浆料2；
[0012] (3)将步骤(1)和步骤(2)所得的浆料混合均匀后进行
喷雾干燥，得到类球状颗粒前驱体；
[0013] (4)将步骤(3)所得前驱体与还原性
金属粉末混合；
[0014] (5)将步骤(4)所得混合物进行炭化处理，在保护气氛中加热并保持恒温，然后冷却至室温；
[0015] (6)用稀酸和去离子
水进行冲洗，
真空干燥，即得目标产物。
[0016] 其中一些实施方案中，原料为纳米硅粉、热解碳源、导电碳、石墨和还原性金属粉末，各个组分在原料总
质量中各自所占比例如下：
[0017]
[0018] 其中一些实施方案中，步骤(1)中所述的纳米硅为单质硅或
氧化亚硅中的一种或者两种混合物；所述纳米硅的平均粒度为10-200nm。
[0019] 其中一些实施方案中，步骤(1)中所述的热解碳源为尿素、缩二脲、缩三脲、三聚氰酸或三聚氰胺中的一种或者多种组合。
[0020] 其中一些实施方案中，步骤(1)中所述的阴离子表面活性剂为木质素磺酸盐系木质素磺酸钠、木质素磺酸
钙、木质素磺酸镁、木质素磺酸钠铵，聚烯
烃磺酸盐系聚苯乙烯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸铵、聚苯乙烯磺酸镁，
萘磺酸盐系萘磺酸钠甲
醛缩聚物、萘磺酸
钾甲醛缩聚物，腐植酸系腐植酸钠、腐植酸钾，
硫酸酯盐异辛醇硫酸钠、月桂醇聚醚硫酸酯钠中的一种或者多种组合。进一步地，所述的阴离子表面活性剂在浆料1中质量分数为0.1-2％。
[0021] 其中一些实施方案中，步骤(2)中所述的导电碳为Super P、碳
纤维、碳
纳米管或
乙炔黑中的一种或多种组合。
[0022] 其中一些实施方案中，步骤(2)中所述的石墨为中间相碳微球、天然石墨、人造石墨或者天然石墨与人造石墨的混合物；所述石墨的粒径为5-30μm。
[0023] 其中一些实施方案中，步骤(2)中所述的阳离子表面活性剂为聚醚酰亚胺、季铵化聚乙烯亚胺、叔铵化聚乙烯亚胺、十二烷基三甲基
氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯亚胺氯化十二烷基二甲基苄基铵或氯化十六烷基二甲基苄基铵中的一种或多种组合。进一步地，所述的阳离子表面活性剂在浆料2中质量分数为0.1-2％。
[0024] 其中一些实施方案中，步骤(1)和步骤(2)中所述的溶剂为水、
乙醇、乙二醇、异丙醇或正丁醇中的一种或多种组合。
[0025] 其中一些实施方案中，步骤(3)中所述的喷雾干燥，条件为进
风温度控制为150-300℃，出口温度为70-120℃，供料盘
频率为5-50Hz，雾化盘频率为50-350Hz。
[0026] 优选地，步骤(3)中所述的喷雾干燥，条件为进风温度控制为200-300℃，出口温度为90-100℃，供料盘频率为15Hz，雾化盘频率为250Hz。
[0027] 其中一些实施方案中，步骤(4)中所述的金属粉末为镁粉、
铝粉、锌粉中的一种或者
合金。
[0028] 其中一些实施方案中，步骤(5)中所述的保护气氛为氩气或氦气。
[0029] 其中一些实施方案中，步骤(5)中所述的加热并保持恒温为加热至500-800度，恒温1-10h。
[0030] 其中一些实施方案中，步骤(6)中所述的稀酸为
醋酸、
草酸、
盐酸、硫酸、
硝酸中的一种或多种。
[0031] 与
现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
[0032] 本发明提供的一种纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料，具有更好的电性能和循环性能；其首次充电容量达到440mAh/g以上，库伦效率大于88％，50次循环后容量保持在95％以上，具有广阔应用前景。
[0033] 本发明同时提供的一种纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料的制备方法，采用石墨相氮化碳(g-C3N4)对硅进行包覆，有效抑制硅体积膨胀，显著改善其电性能和循环性能。通过还原调控g-C3N4中氮含量和
孔径分布提高材料活性，获得了更好的电化学性能，改性后的产物其首次充电容量达到440mAh/g以上，库伦效率大于88％，50次循环后容量保持在95％以上，具有广阔应用前景。
[0034] 术语定义
[0035] 本发明意图涵盖所有的替代、
修改和等同技术方案，它们均包括在如
权利要求定义的本发明范围内。本领域技术人员应认识到，许多与本文所述类似或等同的方法和材料能够用于实践本发明。本发明绝不限于本文所述的方法和材料。在所结合的文献、
专利和类似材料的一篇或多篇与本
申请不同或相矛盾的情况下(包括但不限于所定义的术语、术语应用、所描述的技术等等)，以本申请为准。
[0036] 应进一步认识到，本发明的某些特征，为清楚可见，在多个独立的实施方案中进行了描述，但也可以在单个
实施例中以组合形式提供。反之，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施方案中进行了描述，但也可以单独或以任意合适的子组合提供。
[0037] 除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。
[0038] 除非另外说明，应当应用本发明所使用的下列定义。出于本发明的目的，化学元素与元素周期表CAS版，和1994年第75版《化学和物理手册》一致。此外，
有机化学一般原理可参考"Organic Chemistry",Thomas Sorrell,University Science Books,Sausalito:1999,和"March's Advanced Organic Chemistry"by Michael B.Smith and Jerry March,John Wiley&Sons,New York:2007中的描述，其全部内容通过引用并入本发明。
[0039] 术语“包含”或“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。
附图说明
[0040] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0041] 图1为实施例1的SEM图谱。
[0042] 图2为实施例1的XRD图谱。
[0043] 图3为实施例1-2和对比例1-2的循环性能测试。
具体实施方式
[0044] 以下所述的是本发明的优选实施方式，本发明所保护的不限于以下优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说在此发明创造构思的
基础上，做出的若干
变形和改进，都属于本发明的保护范围。
[0045] 实施例1
[0046] (1)将1g硅粉(粒径40nm)、5g尿素和0.2g萘磺酸盐系萘磺酸钠甲醛缩聚物加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料1；
[0047] (2)将0.4g乙炔黑、17g中间相碳微球(粒径16.5μm)和0.3g聚醚酰亚胺加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料2；
[0048] (3)将浆料1加入浆料2，然后进行搅拌喷雾干燥，控制喷雾干燥机的进口温度为250℃，出口温度为100℃，供料盘频率为15Hz，雾化盘频率为250Hz，得到类球状颗粒前驱体；
[0049] (4)将所得前驱体加入0.5％镁粉混合；
[0050] (5)将步骤(4)得到的混合物于氩气气氛下在炭化炉中650℃下进行炭化处理6小时，得到的产物采用稀醋酸和去离子水进行清洗，真空干燥，即得纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料。
[0051] 对实施例1得到的纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料进行SEM和XRD检测，分别如图1和图2所示。SEM图中，大颗粒为石墨基体，石墨表面分散的小颗粒为氮化碳包覆的硅颗粒，硅颗粒均匀分散有利于充放电过程中
应力释放，氮化碳包覆对硅体积膨胀抑制的同时提高了硅活性，保证材料优异的循环性能。
[0052] 实施例2
[0053] (1)将1.5g氧化亚硅粉(粒径150nm)、8g三聚氰胺和0.2g木质素磺酸钙加入90g乙醇中均匀分散，得到浆料1；
[0054] (2)将0.8g乙炔黑、16g人造石墨(粒径15.0μm)和0.3g聚醚酰亚胺加入90g乙醇中均匀分散，得到浆料2；
[0055] (3)将浆料1加入浆料2，然后进行搅拌喷雾干燥，控制喷雾干燥机的进口温度为200℃，出口温度为90℃，供料盘频率为15Hz，雾化盘频率为250Hz，得到类球状颗粒前驱体；
[0056] (4)将所得前驱体加入0.1％镁粉混合；
[0057] (5)将步骤(4)得到的混合物于氩气气氛下在炭化炉中700℃下进行炭化处理4小时，得到的产物采用稀盐酸和去离子水进行清洗，真空干燥，即得纳米硅/石墨相氮化碳/石墨复合负极材料。
[0058] 对比实例1(未包覆)
[0059] (1)将1g硅粉(粒径40nm)和0.2g萘磺酸盐系萘磺酸钠甲醛缩聚物加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料1；
[0060] (2)将0.4g乙炔黑、17g中间相碳微球(粒径16.5μm)和0.3g聚醚酰亚胺加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料2；
[0061] (3)将浆料1加入浆料2，然后进行搅拌喷雾干燥，控制喷雾干燥机的进口温度为250℃，出口温度为100℃，供料盘频率为15Hz，雾化盘频率为250Hz，得到类球状颗粒前驱体；
[0062] (4)将所得前驱体加入0.5％镁粉混合；
[0063] (5)将步骤(4)得到的混合物于氩气气氛下在炭化炉中650℃下进行炭化处理6小时，得到的产物采用稀醋酸和去离子水进行清洗，真空干燥，即得硅碳
复合材料。
[0064] 对比实例2(未还原)
[0065] (1)将1g硅粉(粒径40nm)、5g尿素和0.2g萘磺酸盐系萘磺酸钠甲醛缩聚物加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料1；
[0066] (2)将0.4g乙炔黑、17g中间相碳微球(粒径16.5μm)和0.3g聚醚酰亚胺加入到80g乙醇中均匀分散，得到浆料2；
[0067] (3)将浆料1加入浆料2，然后进行搅拌喷雾干燥，控制喷雾干燥机的进口温度为250℃，出口温度为100℃，供料盘频率为15Hz，雾化盘频率为250Hz，得到类球状颗粒前驱体；
[0068] (4)将所得前驱体于氩气气氛下在炭化炉中650℃下进行炭化处理6小时，得到的产物采用稀醋酸和去离子水进行清洗，真空干燥，即得硅碳复合材料。
[0069] 性能测试
[0070] 将实施例1-2以及对比例1-2得到的复合负极材料、导电剂和SA粘结剂按照质量比93：2：5配制成水系浆料，涂覆于10μm
铜箔上，在80℃烘箱中烘干，然后进行辊压处理。用冲片机将辊压后的铜箔冲成直径12mm
电极片，在120℃烘箱中进行真空干燥12h得到
工作电极。在氮气保护的
手套箱中将工作电极、锂片、隔膜、
电解液(1mol/L六氟
磷酸锂EC：DEC：EMC＝1：1：1)组装成2016扣式电池。采用蓝电测试系统进行测试，充放电电压范围0.01-1.5V，结果表1所示。
[0071] 表1电化学性能
[0072]样品 首次库仑效率/％ 首次充电容量/mAh/g 50次循环保持率/％
实施例1 88.7 445 95
实施例2 88.1 450 97
对比实例1 81.3 391 79
对比实例2 85.0 407 101
[0073] 结论：由表1和图3可知，对比实例1中未进行C3N4包覆处理样品，容量和首次库仑效率较低，循环性能较差；对比实例2中，进行C3N4包覆后，首次库仑效率和循环性能有很大的提升；实施例1-2中，进一步采用金属还原部分N元素之后，材料活性提升更加明显，首次库伦效率提高3-7％左右，容量提升40-60mAh/g，同时保持了很好的循环性能。
