[发明专利]一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法及应用，该方法利用高压溅射法将有机金属框架与纳米硅以及聚丙烯腈混合，在保护气氛中高温焙烧碳化后，用盐酸除去有机金属框架中的金属氧化物，经过洗涤、干燥即制得三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料（3D NPC@Si）。该方法对于合成组分可控、结构可控、高的比表面积以及良好的结构稳定性的锂离子电池负极材料提供了很大的可行性。该方法简单易行，成本低廉，所制备的复合材料具有较高的比表面积、良好的电子传导性以及较好的结构稳定性。在锂离子电池负极材料中表现极好的电化学性能，具有很好的工业应用前景。

技术领域

一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法及应用。

背景技术

随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，目前的材料体系明显已无法满足现实需求，研发新型高能量高性能材料迫在眉睫。随着锂离子电池技术的不断发展，高比能锂离子电池的发展已经成为了一股无法阻挡的潮流。为了提高锂离子电池的比能量，需要从锂离子电池结构设计和新材料开发两方面着手进行，电池结构设计上主要是减轻结构件、铝箔、铜箔等非活性物质的重量，进而增加活性物质的相对比重。新材料开发方面主要是开发容量更高的正负极材料，以及电压更高的正极材料，提高电池的容量和电压达到提高电池能量密度的目的。

目前，负极材料的开发方向主要是提高材料的容量，在目前众多的高容量负极材料中，硅负极材料凭借其丰富的资源储量，低廉的价格获得了广泛的关注和研究，是下一代高比能锂离子电池负极材料的强有力竞争者。但是硅负极材料也存在严重的体积膨胀问题，在完全嵌锂状态下，硅负极的体积膨胀可达300％，这不仅会导致硅负极颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘结剂网络，导致活性物质失效，从而严重影响硅负极材料的循环稳定性。解决硅材料体积膨胀问题的思路主要有三个：1)纳米化，通过制备纳米硅，抑制硅在充放电过程中的体积变化；2)制备特殊形貌的硅材料，例如蜂窝状材料，利用硅材料自身的形变吸收充放电过程中体积变化；3)硅/碳复合材料，通过硅与碳材料复合，利用碳材料缓冲硅材料在循环过程中的体积变化，以改善硅材料的循环性能。

本发明针对存在的问题，提供一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法及应用，并将该复合材料用于锂离子电池负极，该复合材料表现出优异的长循环稳定性。

发明内容

本发明目的在于，提供一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法及应用。该方法利用高压溅射法将有机金属框架与纳米硅以及聚丙烯腈混合，在保护气氛中高温焙烧碳化后，用盐酸除去有机金属框架中的金属氧化物，经过洗涤、干燥即制得三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料。该方法对于合成组分可控、结构可控、高的比表面积以及良好的结构稳定性的锂离子电池负极材料提供了很大的可行性。该方法简单易行，成本低廉，所制备的复合材料具有较高的比表面积、良好的电子传导性以及较好的结构稳定性。在锂离子电池负极材料中表现极好的电化学性能，具有很好的工业应用前景。

本发明所述的一种三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料的制备方法，按下列步骤进行：

a、有机金属框架化合物的制备：将含1.07g六水合硝酸锌的甲醇溶液50ml加入到含 2.357g 2-甲基咪唑的甲醇溶液50ml中，在室温剧烈搅拌24h，离心，用甲醇溶液洗涤3次，温度60℃真空干燥；

b、将步骤a制备的0.2g有机金属框架化合物，0.3g纳米硅分散在4ml N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声15min，再加入0.2g聚丙烯腈，室温搅拌12h，然后转移到高压溅射装置中进行高压喷涂溅射，得到混合物；

c、将步骤b得到的混合物在氮气气氛中温度350℃焙烧3h，再在800℃焙烧1h，用2M盐酸去除有机金属框架中的金属氧化物；

d、将步骤c得到的产物洗涤干燥，即得三维分级多孔氮掺杂碳包硅复合材料。

步骤a中有机金属框架化合物颗粒直径为40-100nm。