[发明专利]一种氮磷掺杂二维碳/硅复合物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了氮磷掺杂二维碳/硅复合物及其制备方法和应用，其中，制备方法包括如下步骤：步骤1：将碳源溶解于去离子水中，随后加入硅源，混合均匀，再加入NaCl，混合均匀；将混合物干燥，获得固体，将固体研磨成粉末；步骤2：将粉末置于管式炉中，在保护气体中煅烧，然后用去离子水刻蚀走NaCl模板，干燥后获得二维碳/硅复合物；步骤3：取所述二维碳/硅复合物和氮源溶于去离子水中，搅拌；然后添加入磷源，搅拌；最后在保护气体中煅烧，获得氮磷掺杂二维碳/硅复合物，该复合物成本低廉，可大批量生产，不仅具有较高的比表面积和较好的电子传输性能，还能大幅缓冲硅在脱嵌锂过程中的体积变化，应用锂离子电池负极材料，具有非常好的应用前景。

技术领域

本发明涉及二维碳/硅复合物领域，特别涉及一种氮磷掺杂二维碳/硅复合物及其制备方法和应用。

背景技术

随着新能源汽车的兴起，可充电锂离子电池被人们广泛关注。

在电池负极材料中硅是下一代锂离子电池最有前途的负极候选材料之一，它具有低电压和高理论比容量(室温下的形成Li₁₅Si₄相为3580mA/h g)，此外，其然储量丰富(地壳中第二丰富的元素)，且对环境无害。然而在充放电过程中，硅负极体积膨胀大约300％，这破坏了颗粒间的电接触，发生不可逆负极材料的粉碎，反复破裂和增长的SEI导致了电解质和锂离子的不断消耗。

与硅相比，层状的石墨材料具有长寿命，但是能量密度相对较低，理论值容量只有372mAh/g。因此，硅碳复合材料被认为是一种很有前途的材料，并被广泛用于缓解硅负极体积膨胀和提高其导电性能，目前这种硅碳复合材料成为了研究的热点。

科研人员对硅碳复合材料进行了各种形状结构的探索，例如：类石榴形的硅碳复合材料(N.Liu,Z.Lu,J.Z h ao,M.T.McDowell,h.W.Lee,W.Z h ao,Y.Cui,Nat.Nanotec hnol.2014,9,187；)，蛋黄壳结构的硅碳复合材料(N.Liu,h.Wu,M.T.McDowell,Y.Yao,C.Wang,Y.Cui,Nano Lett.2012,12,3315；)等等，相比这些结构，二维材料具有较高的比表面积和较好的电子传输性能，因此具有更好的应用前景，目前还没有利用NaCl为模板制备氮磷掺杂二维碳/硅复合物负极材料的方法，并且NaCl模板可用去离子水环保的清理掉，因此开发这种操作简单，成本低廉，可大量制备的氮磷掺杂二维碳硅复合物负极材料方法具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出以下技术方案。

第一方面，提出一种氮磷掺杂二维碳/硅复合物的制备方法，包括如下步骤：包括如下步骤：

步骤1：将碳源溶解于去离子水中，随后加入硅源，混合均匀，再加入NaCl，混合均匀；将混合物在干燥箱中干燥，获得固体，将所述固体研磨成粉末；

步骤2：将所述粉末置于管式炉中，在保护气体中煅烧，然后用去离子水刻蚀走NaCl模板，干燥后获得二维碳/硅复合物；

步骤3：取所述二维碳/硅复合物和氮源溶于去离子水中，搅拌；然后添加入磷源，搅拌；最后在保护气体中煅烧，获得氮磷掺杂二维碳/硅复合物。

优选的，所述步骤3中，氮源溶于去离子水中，搅拌1h-1.5h；添加入磷源，搅拌0.5h-1h。

优选的，所述碳源是葡萄糖、淀粉或柠檬酸中的一种或多种。

优选的，所述硅源是单质硅或多孔硅中的一种或多种，颗粒直径90nm-110nm。

优选的，所述硅源、碳源和NaCl的质量比为1：(10-20)：200。

优选的，所述步骤2中煅烧以5℃-10℃/min的升温速度加热到750℃-900℃，保温时间为2h-6h。