一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法及其产品和应用

本发明属于锂电池负极材料的制备，涉及一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术：

1、锂离子电池由于具有高能量密度、高功率密度、高输出电压、无记忆效应等特点而成为在电动汽车、消费电子产品和储能系统等领域广泛应用的储能设备。但其活性物质的比容量、循环稳定性、容量保持率、倍率性能和能量密度等方面仍然需要进一步的发展。尤其在负极材料领域，目前商业化的石墨负极理论比容量仅约为372mah g-1，限制了电池的容量提升，越来越难以满足人们的需求。

2、而硅基负极材料具有超高的理论比容量(4200mah g-1)。现实中，室温下形成li15si4，对应的比容量为3579mah g-1，远远高于石墨负极。但是在锂化/去锂化过程中，负极材料会出现体积膨胀、sei膜不稳定以及导电性差等问题而影响其在锂离子电池中的应用，因此硅基负极材料需要进一步优化改善。

3、为了克服这些缺点，有必要研究在硅材料外表包覆一层碳涂层，以便可以避免内层硅与电解液的直接接触，增强负极的导电性，降低体积膨胀带来的影响，从而增加硅负极的稳定性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种硼和氮双掺杂的硅碳材料；本发明的目的之三在于提供一种硼和氮双掺杂的硅碳材料在锂离子电池负极材料方面的应用。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、1、一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(1)将草酸和硼酸加入水中混合形成混合酸溶液；

5、(2)将苯胺分散在步骤(1)中所述混合酸溶液中，加入硅粉后进行超声使其分散均匀，得到混合溶液，置于冰水浴进行搅拌；

6、(3)将(nh4)2s2o8分散在混合酸溶液中形成分散液，然后将所述分散液滴加到步骤(2)中处于冰水浴下搅拌的混合溶液中，在冰水浴中继续反应；

7、(4)将步骤(3)中反应得到的产物用乙醇和去离子水洗涤抽滤数次，真空干燥得到前驱体粉末；

8、(5)将步骤(4)中所述前驱体粉末在氩气气氛的管式炉中碳化即可得到硼和氮双掺杂的硅碳材料。

9、优选的，步骤(1)中，所述混合酸溶液中草酸的浓度为0.5～2.0mol l-1、硼酸的浓度为0.1～0.2mol l-1。

10、优选的，步骤(2)中，所述苯胺、混合酸溶液和硅粉的体积质量比为100～200:40～80:0.2～0.4，μl:ml:g。

11、优选的，步骤(2)中，所述超声的时间为0.5～1h。

12、优选的，步骤(2)中，所述冰水浴的温度为-2～-5℃，所述冰水浴中搅拌的时间为8～20min、搅拌的速度为200～400rpm。

13、优选的，步骤(3)中，所述(nh4)2s2o8和混合酸溶液的质量体积比为0.15:50，g:ml；

14、步骤(3)中，所述分散液与混合溶液的体积比为1:1。

15、优选的，步骤(3)中，所述冰水浴中反应的时间为8～20h。

16、优选的，步骤(4)中，所述真空干燥的温度为50～90℃、时间为8h。

17、优选的，步骤(5)中，所述碳化的条件为在惰性气氛、750～900℃下碳化处理2～4h。

18、2、根据上述制备方法制备得到的硼和氮双掺杂的硅碳材料。

19、3、上述硼和氮双掺杂的硅碳材料在锂离子电池的负极材料方面的应用。

20、本发明的有益效果在于：本发明公开了一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法，主要是通过一步聚合反应将硼和氮元素成功掺杂进入碳层，掺杂碳层能够明显改善硅基负极材料的体积膨胀问题，从而使得电极结构稳定性有所提升，其中氮元素的引入可以更好的发挥碳层的优势，降低锂离子穿梭的能量壁垒，提高材料导电性；在外层碳中掺杂入硼元素，能够与表面的碳发生键合，从而使得碳悬键和不可逆锂数量减少。因此本发明制备得到的硼和氮双掺杂的硅碳材料在硼元素和氮元素的共同作用下，加速了li+在电极和电解质界面之间的传输，从而提升该材料的电化学性能(在200mag-1的电流密度下，经过50次循环能达到1450～1600mah g-1的比容量，可以实现1000mag-1下160次稳定循环(容量保持率79％以上))。

21、本发明公开的硼和氮双掺杂的硅碳材料通过简单的原位聚合-碳化的方法制备了si/nc和si/bnc两种成分，其中氮元素的引入可以更好的发挥碳层的优势，降低锂离子穿梭的能量壁垒，提高材料导电性；在外层碳中掺杂入b元素，b能够与表面的碳发生键合，从而使得碳悬键和不可逆锂数量减少，提升材料的电化学性能。因此本发明硼和氮双掺杂的硅碳材料在锂离子电池的负极材料方面具有广阔的应用前景。

22、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合酸溶液中草酸的浓度为0.5～2.0mol l-1、硼酸的浓度为0.1～0.2mol l-1。

3.根据权利要求1所述的硅制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述苯胺、混合酸溶液和硅粉的体积质量比为100～200:40～80:0.2～0.4，μl:ml:g。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声的时间为0.5～1h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冰水浴的温度为-2～-5℃，所述冰水浴中搅拌的时间为8～20min、搅拌的速度为200～400rpm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述(nh4)2s2o8和混合酸溶液的质量体积比为0.15:50，g:ml；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述真空干燥的温度为50～90℃、时间为8h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述碳化的条件为在惰性气氛、750～900℃下碳化处理2～4h。

9.根据权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的硼和氮双掺杂的硅碳材料。

10.权利要求9所述硼和氮双掺杂的硅碳材料在锂离子电池的负极材料方面的应用。

技术总结
本发明涉及一种硼和氮双掺杂的硅碳材料的制备方法及其产品和应用，属于锂电池负极材料的制备技术领域。本发明主要是通过一步聚合反应将硼和氮元素成功掺杂进入碳层，掺杂碳层能够明显改善硅基负极材料的体积膨胀问题，从而使得电极结构稳定性有所提升，其中氮元素的引入可以更好的发挥碳层的优势，降低锂离子穿梭的能量壁垒，提高材料导电性；在外层碳中掺杂入硼元素，能够与表面的碳发生键合，从而使得碳悬键和不可逆锂数量减少。

技术研发人员：崔月华,向小林
受保护的技术使用者：中国科学院重庆绿色智能技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29