[发明专利]一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法。这种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将阳离子表面活性剂、纳米硅分散在溶剂中，干燥，得到改性纳米硅；2)将氧化石墨烯分散在溶剂中，再与改性纳米硅混合，干燥，得到包覆物；3)将包覆物进行掺氮处理，得到氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料。本发明所得的复合电材料，呈现高的充放电比容量、库伦效率以及优异的循环稳定性。本发明的制备方法操作简便，反应过程绿色环保，适合快速批量化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是涉及一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池凭借能量密度高、无记忆效应、成本低廉、绿色环保等优点已被广泛地商业化应用，开发比容量更高、充放电速度更快、循环使用寿命更长的负极材料对于锂离子电池性能的提高具有重要意义。硅作为负极材料具有4200mAh/g的理论容量，被普遍认为是未来最有希望替代石墨的负极材料，但是其作为负极材料存在两个问题。第一，硅在充放电过程中发生显著的体积膨胀，造成电极结构破坏，容量急剧衰减。第二，硅表面的SEI膜(固体电解质界面膜)比较厚且不均匀，影响锂离子电池的性能。石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，具有优异的力学性能和电学性能。为了克服硅负极的缺陷，近来有报道将石墨烯与硅负极进行复合发挥协同作用，以提高负极材料性能。

现有技术中，专利文献CN102544445A公开了“一种负载纳米硅颗粒的石墨烯复合材料的制备方法”，该方法将氧化石墨烯和纳米硅颗粒混合后，进行高温热还原得到石墨烯/纳米硅复合材料。该材料作为负极材料时，在电流密度0.2mA/cm²，截止电压的范围为0.02V～1.5V下，首次不可逆容量可达1584mAH/g，首次可逆容量可达941mAH/g。刘力等在《锂硅电池负极材料G-Si的制备及电化学性能》(石河子大学学报：自然科学版,2017,35(3):299-304)公开了利用溶胶-凝胶法，制备了石墨烯/硅复合材料。其中，获得性能最好的石墨烯/硅复合材料，在电流密度为0.1A/g时首次放电比容量为1150mAh/g，循环100周的放电比容量为534.2mAh/g。

目前所得石墨烯/硅复合材料表现出较好的电化学性能，但是它们均存在以下问题：1、石墨烯与硅之间并没有形成有效的结合；2、硅材料自身的分散性并未解决，导致在石墨烯载体中依然是团聚状态；3、石墨烯/硅复合材料的比容量及循环性能有待进一步提高。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法，这种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料可用作锂离子电池负极材料。

本发明是利用静电自组装复合氧化石墨烯和经阳离子表面活性剂修饰的纳米硅，随后在含氮气源中进行热处理，制得氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料。

本发明所采取的技术方案是：

一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将阳离子表面活性剂、纳米硅分散在溶剂中，干燥，得到改性纳米硅；

2)将氧化石墨烯分散在溶剂中，再与改性纳米硅混合，干燥，得到包覆物；

3)将包覆物进行掺氮处理，得到氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料。

优选的，这种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法步骤1)中，阳离子表面活性剂在溶剂中的浓度为0.01mg/mL～10mg/mL；进一步优选的，阳离子表面活性剂在溶剂中的浓度为0.1mg/mL～10mg/mL；再进一步优选的，阳离子表面活性剂在溶剂中的浓度为1mg/mL～5mg/mL。

优选的，这种氮掺杂石墨烯包覆纳米硅复合材料的制备方法步骤1)中，纳米硅在溶剂中的浓度为0.5mg/mL～5mg/mL；进一步优选的，纳米硅在溶剂中的浓度为1mg/mL～4mg/mL。