一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及材料制备，具体为一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、新型硅碳材料以其比容量高，材料来源广泛及其膨胀大，电子导电性差等特点，而应用于高能量密度锂离子电池等领域。新型硅碳主要是由多孔碳及其沉积在孔隙中的纳米硅组成，并在其表面包覆一层无定形碳提升材料的电子导电率、首次效率及其降低材料的副反应提升材料的存储性能及其降低产气。但是由于多孔炭自身电子导电率差降低其倍率性能。而提升材料的倍率性能主要措施为提升多孔碳复合材料的电子导电率比如掺杂、包覆等措施，或通过外壳包覆电子或离子导电率高的材料，以改善材料的快充性能。

2、申请人在申请本发明时，经过检索，发现中国专利公开了一种“硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料及其制备方法和应用”，其申请号为“cn202211703916.4”，该专利主要通过以下制备方法，将有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂添加到有机溶剂中，加热得到多孔金属化合物，电化学沉积锂盐，还原，化学气相沉积，得到金属掺杂硅碳材料，其所提供的复合材料，可有效降低材料的膨胀性，将其应用到电池中可显著提升电池的首次效率以及循环性能，但是对材料的快充性能并未改善，因此，根据申请人的发明，发明了一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用，改善了材料的快充性能。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用，改善了材料的快充性能。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料，包括：

5、所述氮锂共掺杂多孔碳形成内核，所述无机锂盐形成外壳，所述外壳与内核的质量比为9：1。

6、一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，包括以下步骤：

7、s1、按照质量比氨基树脂：氮源：造孔剂：乙二胺：硼氢化锂＝100：1-5：0.5-2：10-30：1-10，将氨基树脂、氮源和造孔剂按照所需的质量比例添加到去离子水中，并进行充分的分散搅拌，得到混合物；之后添加乙二胺和硼氢化锂到混合物中，并再次进行充分的搅拌，以确保它们均匀分散在溶液中，得到前驱体溶液；

8、s2、将前驱体溶液转移到高压反应釜中，并在反应温度为100-200℃，压力为1-5mpa进行水热反应1-6h，过滤，所得滤渣在80℃真空干燥24h，之后将所得材料转移到管式炉中并在温度为500℃-800℃进行烧结1-6小时，得到氮锂共掺杂多孔碳；

9、s3、将氮锂共掺杂多孔碳转移到管式炉中，并通入氩气排出管内的空气，并加热到300℃-800℃，之后通入硅烷混合气体，在其氮锂共掺杂多孔碳中沉积纳米硅，得到硅碳前驱体材料；

10、s4、使用原子层沉积技术，在硅碳前驱体材料的表面沉积锂盐化合物，得到硅碳复合材料。

11、所述步骤s1中氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚酰胺多胺环氧氯丙烷树脂中的一种，所述氮源为三聚氰胺、尿素、多巴胺中的一种，所述造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二苯酯、碳酸丙烯酯中的一种。

12、所述s3中所述硅烷混合气体为硅烷与氩气的混合气、体积比1-5：10、气体流量100ml/min-500ml/min。

13、所述s4中所述原子层沉积技术的方法为，将硅碳前驱体材料转移到真空腔中，抽真空到腔体内压力为0.1torr，加热温度为220℃，并按照如下参数依次进行：通入锂盐化合物0.3秒、氮气吹扫60秒、通入氧源5秒、氮气吹扫5秒、通入水0.03秒、氮气吹扫50秒并循环50-200次。

14、所述锂盐化合物为铌酸锂、锆酸锂、铈酸锂中的一种。

15、所述氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料，其特征在于，该材料作为高能量密度锂离子电池负极材料。

16、(三)有益效果

17、本发明提供了一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用。具备以下有益效果：

18、通过在多孔碳中掺杂氮，提升材料的电子导电率和降低材料的缺陷，提升首次效率；同时，掺杂锂化合物降低材料表面的缺陷，提升首次效率，在碳基前驱体中掺杂造孔剂，提升材料碳化过程中孔的均一性和提升孔径的尺寸，降低充放电过程中硅的膨胀。

19、通过原子气相沉积法，在其材料最外层沉积锂盐化合物，避免内核纳米硅与空气接触发生副反应，同时采用原子气相沉积法沉积的锂盐化合物具有厚度较薄，致密度高等特点，提升硅碳复合材料的首次效率及其高温存储性能。

技术特征：

1.一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料，其特征在于，包括：

2.一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤s1中氨基树脂为脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚酰胺多胺环氧氯丙烷树脂中的一种，所述氮源为三聚氰胺、尿素、多巴胺中的一种，所述造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸二苯酯、碳酸丙烯酯中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，其特征在于：所述s3中所述硅烷混合气体为硅烷与氩气的混合气、体积比1-5：10、气体流量100ml/min-500ml/min。

5.根据权利要求2所述的一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，其特征在于：所述s4中所述原子层沉积技术的方法为，将硅碳前驱体材料转移到真空腔中，抽真空到腔体内压力为0.1torr，加热温度为220℃，并按照如下参数依次进行：通入锂盐化合物0.3秒、氮气吹扫60秒、通入氧源5秒、氮气吹扫5秒、通入水0.03秒、氮气吹扫50秒并循环50-200次。

6.根据权利要求5所述的一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料制备方法，其特征在于，所述锂盐化合物为铌酸锂、锆酸锂、铈酸锂中的一种。

7.一种如权利要求1-6任一项所述氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料，其特征在于，该材料作为高能量密度锂离子电池负极材料。

技术总结
本发明提供一种氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用。该氮锂掺杂多孔碳、硅碳复合材料及其制备方法和应用，包括，所述氮锂共掺杂多孔碳形成内核，所述无机锂盐形成外壳，所述外壳与内核的质量比为9：1。通过在多孔碳中掺杂氮，提升材料的电子导电率和降低材料的缺陷，提升首次效率；同时，掺杂锂化合物降低材料表面的缺陷，提升首次效率，在碳基前驱体中掺杂造孔剂，提升材料碳化过程中孔的均一性和提升孔径的尺寸，降低充放电过程中硅的膨胀。

技术研发人员：赵磊,吕波,路鹏飞,郭明
受保护的技术使用者：丰镇市宏升炭素有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17