[发明专利]一种氮硫掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氮硫掺杂硅碳复合材料及其制备方法和锂离子电池负极上的应用，属于电极材料技术领域。本发明提供的氮硫掺杂硅碳复合材料，包括亚微米级硅和包覆在所述亚微米级硅表面的氮硫掺杂碳聚合物层；所述氮硫掺杂碳聚合物层中分散有铜纳米颗粒。本发明提供的氮硫掺杂硅碳复合材料中氮的存在，能够置换碳材料晶格中的碳原子并在结构中引入空洞或缺陷，硫的存在能够提高毗邻碳原子的正电荷密度，且由于存在法拉第反应，使得氮硫掺杂硅碳复合材料中产生更多锂存储位点，提高氮硫掺杂硅碳复合材料的比容量、导电能力和循环稳定性，大大提高了复合材料与集流体间的导电性，有效提升锂离子电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种氮硫掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨或石墨化碳作为现有商业化锂离子电池的负极材料得到了广泛的应用。目前，碳负极材料的实际应用容量已达到了350mAh/g，接近LiC₆的理论值(372mAh/g)。锂离子电池负极材料未来将向着高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低成本的方向发展，因此，石墨材料将无法满足未来锂离子电池在电动汽车行业和储能领域的高比容量应用需求。

硅的理论锂容量最高可以达到4200mAh/g(对应Li_4.4Si)，是石墨材料(理论容量372mAh/g)的十倍多，也远高于其他金属氧化物负极材料。而常温条件下，Si嵌锂后形成的最高成分为Li₁₅Si₄(Li_3.75Si)，其理论锂容量也高达3579mAh/g。而且硅的嵌锂电位约为0.5V(vs.Li/Li⁺)，高于石墨负极材料(0.2Vvs.Li/Li⁺)，所以在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性。而且，硅在地壳中含量丰富、低成本、无毒、且具有稳定的化学性质。因此，硅是一种理想的锂离子电池负极材料，具有很好前景。然而，Si在嵌锂和脱锂的过程中，将会产生巨大的体积变化(例如Li₁₅Si₄对应的体积变化为266％)，导致硅材料为负极的锂离子电池的循环稳定性受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮硫掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用，且本发明提供的氮硫掺杂硅碳复合材料制备的锂离子电池的循环稳定性优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氮硫掺杂硅碳复合材料，包括亚微米级硅和包覆在所述亚微米级硅表面的氮硫掺杂碳聚合物层；

所述氮硫掺杂碳聚合物层由碳源与氮硫源聚合得到。

优选的，所述氮硫掺杂硅碳复合材料的粒径为1～10μm。

优选的，所述碳源包括烷烃化合物、苯基化合物、葡萄糖、淀粉和纤维素中的一种或几种；

所述氮硫源为含氮硫氨基酸。

优选的，所述氮硫掺杂碳聚合物层的厚度为0.5～9.5μm。

本发明提供了上述技术方案所述氮硫掺杂硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将碳源、氮硫源、亚微米级硅和水混合，调节pH值至1～3，进行水热反应，得到氮硫掺杂硅碳复合材料。

优选的，所述碳源、亚微米级硅、氮硫源中的氮与氮硫源中的硫的质量比为1：(0.1～3)：(0.01～0.15)：(0.01～0.20)。

优选的，所述水热反应的温度为120～210℃，保温时间为2～16h。

本发明提供了上述技术方案所述的氮硫掺杂硅碳复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的氮硫掺杂硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。