锂离子电池负极材料及应用的制作方法

本发明涉及锂离子电池负极材料，具体而言，涉及锂离子电池负极材料及应用。

背景技术：

1、锂离子电池作为电动汽车和便携式电子设备等应用中的储能系统，需要满足大容量、长循环寿命以及良好的安全性能。然而传统的锂离子电池负极材料存在一些难以解决问题，包括碳基材料的理论比容量较低、硅基材料体积膨胀、首效低和导电性差的问题。因此通过非金属元素掺杂以及硅碳材料复合的方式可以提高锂离子电池的克容量，同时还可以有效缓解体积膨胀、首效低、循环性能差等硅基材料的传统缺陷，因此对负极硅材料的复合，对于进一步提升电池的比容量是有利的。

2、目前的碳基负极生产路线大多是通过均匀包覆，结构设计等生产工艺对人造石墨进行复合。负极材料对于电池的循环寿命和容量至关重要，但石墨类材料372mah/g的理论比容量明显的限制了其在下一代锂离子电池中的应用。硅在地壳中含量丰富，来源广泛，是具有较高理论比容量(4200mah/g)的负极材料，且相比于锂金属，不易形成锂枝晶，在提升电池能量密度及安全性方面扮演重要角色，但硅负极在循环过程中的开裂、粉化、严重的副反应，造成硅负极容量迅速衰退，循环性能快速恶化。

3、鉴于此，如何克服碳基材料的理论比容量较低或硅基材料体积膨胀的问题尤其必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供锂离子电池负极材料及应用，得到容量和循环性能兼备的负极材料。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种锂离子电池负极材料，包括氮掺杂二维硅氧烯纳米片和石墨碳纳米片。

4、在可选的实施方式中，所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片和石墨碳纳米片的质量比为(50-60):(40-50)；

5、优选地，所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片中氮含量为16wt％-36wt％；

6、优选地，所述二维硅氧烯纳米片与含氮配体之间通过n-si键连接实现氮掺杂，其中含氮配体为1h-1,2,3-三唑和/或聚丙烯腈；更优选地，所述含氮配体中1h-1,2,3-三唑和聚丙烯腈的质量比为0.8-0.9:1；

7、优选地，所述石墨碳纳米片为单层碳纳米片、层数2-10的多层碳纳米片和石墨烯中的至少一种。

8、在可选的实施方式中，还包括粘合剂，所述粘合剂为聚丙烯酸、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述粘合剂在负极材料中的质量分数为3％-7％；

9、优选地，所述粘合剂为聚丙烯酸。

10、在可选的实施方式中，所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片的制备方法包括：将二维硅氧烯纳米片与含氮配体溶于氨水中，并进行反应，得到氮掺杂二维硅氧烯纳米片；

11、优选地，所述二维硅氧烯纳米片的浓度为1.1-1.3g/l；

12、优选地，所述二维硅氧烯纳米片与含氮配体的质量比为1：1.4-3.2；

13、优选地，所述氨水的浓度为0.65-0.75g/ml。

14、在可选的实施方式中，所述含氮配体为1h-1,2,3-三唑，所述反应温度为80℃-90℃，反应时间为9h-11h；

15、优选地，所述二维硅氧烯纳米片与1h-1,2,3-三唑的质量比为1:1.35-1.45。

16、在可选的实施方式中，所述含氮配体为聚丙烯腈，所述反应温度为25℃-35℃，反应时间为9h-11h；

17、优选地，所述二维硅氧烯纳米片与聚丙烯腈的质量比为1:1.55-1.65。

18、在可选的实施方式中，所述含氮配体为1h-1,2,3-三唑和聚丙烯腈，所述反应先在25℃-35℃下进行4.5h-5.5h，再在80℃-90℃下进行4.5h-5.5h；

19、优选地，所述二维硅氧烯纳米片、1h-1,2,3-三唑和聚丙烯腈的质量比为1:1.35-1.45:1.55-1.65。

20、在可选的实施方式中，还包括所述二维硅氧烯纳米片的制备，所述二维硅氧烯纳米片的制备方法包括：将二硅化钙用碱进行冲洗，接着用酸氧化剂对其进行化学剥离，得到二维硅氧烯纳米片；或，将四氯化硅液体加热至55-65℃得到四氯化硅气体，将四氯化硅气体在氢气的气氛下反应生成硅原子并沉积在二氧化硅衬底上，得到二维硅氧烯纳米片；

21、优选地，所述二维硅氧烯纳米片的厚度为5nm-10nm；

22、优选地，所述酸氧化剂为磷酸、盐酸和硼酸中的至少一种，所述酸氧化剂中氢离子浓度为11mol/l-13mol/l；

23、优选地，所述碱为强碱；

24、优选地，所述二氧化硅衬底的温度为600℃-700℃。

25、第二方面，本发明提供一种锂离子电池负极极片，包括集流体和设置在所述集流体上的负极材料层，所述负极材料层中包括前述实施方式任意一项所述负极材料；

26、优选地，所述集流体上负极材料的面载量为0.15mg/cm2-0.3mg/cm2。

27、第三方面，本发明提供一种包括前述实施方式所述负极材料的锂离子电池负极极片的制备方法，包括：将包括所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片、石墨碳纳米片、粘合剂和溶剂的负极浆料涂布在集流体表面，烘干去除溶剂后即得锂离子电池负极极片；

28、优选地，所述负极浆料中负极材料的浓度为170g/l-185g/l。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本申请中，二维硅氧烯纳米片主要提供容量，且二维硅氧烯纳米片自身为层状结构，能够有效的缓解体积膨胀的问题，同时较高的比表面积为锂离子的反应提供了大量的活性位点，从而使这种材料有着更为出色的反应动力学；氮掺杂后二维硅氧烯纳米片中会出现空穴，因此可提高二维硅氧烯纳米片的导电性能；石墨碳纳米片可以在负极材料内部形成三维导离子导电子路径，提升负极材料的离子和电子电导率，同时石墨碳纳米片可以提供了更多的开放空间，有利于容纳硅纳米片的膨胀，并且有利于缓解硅体积膨胀造成的应力集中和开裂问题，有利于维持负极材料的结构稳定性，进而提升负极材料的循环性能，从而得在保持负极材料容量的同时，提高循环性能，缓解负极材料的容量衰减速率，获得容量高、循环性能好的负极材料。

技术特征：

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，包括氮掺杂二维硅氧烯纳米片和石墨碳纳米片。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片和石墨碳纳米片的质量比为(50-60):(40-50)；

3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，还包括粘合剂，所述粘合剂为聚丙烯酸、丁苯橡胶和羧甲基纤维素钠中的至少一种，所述粘合剂在负极材料中的质量分数为3％-7％；

4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片的制备方法包括：将二维硅氧烯纳米片与含氮配体溶于氨水中，并进行反应，得到氮掺杂二维硅氧烯纳米片；

5.根据权利要求4所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述含氮配体为1h-1,2,3-三唑，所述反应温度为80℃-90℃，反应时间为9h-11h；

6.根据权利要求4所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述含氮配体为聚丙烯腈，所述反应温度为25℃-35℃，反应时间为9h-11h；

7.根据权利要求4所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述含氮配体为1h-1,2,3-三唑和聚丙烯腈，所述反应先在25℃-35℃下进行4.5h-5.5h，再在80℃-90℃下进行4.5h-5.5h；

8.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，还包括所述二维硅氧烯纳米片的制备，所述二维硅氧烯纳米片的制备方法包括：将二硅化钙用碱进行冲洗，接着用酸氧化剂对其进行化学剥离，得到二维硅氧烯纳米片；或，将四氯化硅液体加热至55-65℃得到四氯化硅气体，将四氯化硅气体在氢气的气氛下反应生成硅原子并沉积在二氧化硅衬底上，得到二维硅氧烯纳米片；

9.一种锂离子电池负极极片，其特征在于，包括集流体和设置在所述集流体上的负极材料层，所述负极材料层中包括权利要求1-8任意一项所述的负极材料；

10.一种包括权利要求9所述负极材料的锂离子电池负极极片的制备方法，其特征在于，包括：将包括所述氮掺杂二维硅氧烯纳米片、石墨碳纳米片、粘合剂和溶剂的负极浆料涂布在集流体表面，烘干去除溶剂后即得锂离子电池负极极片；

技术总结
本发明公开了锂离子电池负极材料及应用，其中锂离子电池负极材料包括氮掺杂二维硅氧烯纳米片和石墨碳纳米片，其中二维硅氧烯纳米片主要提供容量；氮掺杂后二维硅氧烯纳米片中会出现空穴，因此可提高二维硅氧烯纳米片的导电性能；石墨碳纳米片可以提供了更多的开放空间，有利于容纳硅纳米片的膨胀，并且有利于缓解硅体积膨胀造成的应力集中和开裂问题，有利于提升负极材料的循环性能。

技术研发人员：孙伟航,董哲言,杨贺捷,徐金龙,刘美娜,别晓非,姜涛
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7