CN110335999A - 氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法和应用。其制备方法为：将氧化亚硅溶于有机溶剂中形成溶液A；将可溶性锌盐溶于有机溶剂中形成溶液B；将含氮杂环类有机化合物溶于有机溶剂中形成溶液C；将溶液B加入到溶液A中并静置；然后除去上层液，将剩余溶液与溶液C混合进行水热反应；反应后干燥并在惰性气体氛围下煅烧获得氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。本发明氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法操作简单、对环境无污染；具有高克容量、高导电性、高首效和更加稳定的循环性能，在高比能电池及后端电动车、储能电站领域具有广阔的应用前景。

Description

氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着对高能量密度、循环寿命长的锂离子电池需求的增加，研究者对新型电极材料不断进行探索。近几十年来，硅由于其4200mAh/g的高理论比容量、相对安全的运行电压和丰富的来源而受到广泛的关注，被认为是最有前景的下一代负极材料。然而，硅材料存在体积膨胀导致反应物颗粒粉碎和电极破碎，从而造成容量急剧降低和可逆性差的缺点。
与硅相比，氧化亚硅具有更好的循环稳定性，主要因为生成的氧化锂和锂硅酸盐，作为一个缓冲区来减缓体积的膨胀。此外，氧化亚硅材料具有高的理论比容量，价值高于比商用石墨。
然而，氧化亚硅材料仍面临导电性差、氧化锂和锂硅酸盐等生成发生不可逆反应所造成的首效低、活性物质反复的膨胀和收缩造成循环时容量快速衰减等问题。
发明内容
基于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法，该制备方法简单，制备获得的复合材料具有高倍率性能、高首效和优良的循环稳定性能；本发明的目的还在于提供该氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料作为负极材料在锂电池中的应用；本发明的目的还在于提供包含该氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的锂离子电池电极；本发明的目的还在于提供包括所述锂离子电池电极的锂离子电池。
本发明的目的通过以下技术手段得以实现：
一方面，本发明提供一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将氧化亚硅溶于有机溶剂中形成溶液A；
将可溶性锌盐溶于有机溶剂中形成溶液B；
将含氮杂环类有机化合物溶于有机溶剂中形成溶液C；
将溶液B加入到溶液A中并静置；然后除去上层液，将剩余溶液与溶液C混合进行水热反应；
反应产物经干燥并在惰性气体氛围下煅烧获得氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
现有技术中，氧化亚硅材料面临导电性差、氧化锂和锂硅酸盐等生成发生不可逆反应所造成的首效低、活性物质反复的膨胀和收缩造成循环时容量快速衰减等问题。基于此问题，发明人经过长期的研发创新性的对氧化亚硅进行了包覆，通过将氧化亚硅与可溶性锌盐的混合静置使氧化亚硅表面原位生长出锌骨架，进而通过含氮类杂环有机化合物包覆，从而于氧化亚硅表面形成金属有机框架化合物，通过煅烧形成碳包覆结构的复合材料，在物理结构方面不仅仅是一种被包覆的形态，氧化亚硅表面原位生长由锌离子和含氮化合物所制备的金属有机框架化合物以锌离子为桥梁而与氧化亚硅相接，煅烧后，材料的结构不会发生变化。该复合材料中，氮具有增加电极材料表面与电解液的接触面积，增强离子的传输速率；锌离子具有支撑金属有机框架化合物的骨架的作用，使复合材料表面有更多的活性位点，并且部分锌离子会掺杂进入氧化亚硅中，在锂离子电池的嵌锂过程中会形成硅酸锌，减少了生成硅酸锂这种不可逆反应的发生，降低了锂离子的消耗，进一步提升了锂离子电池的首次库伦效率；碳具有增强导电性能、稳定氧化亚硅结构和缓解体积膨胀的作用，氧化亚硅具有高的理论比容量，价值高于比商用石墨，通过对氧化亚硅的复合包覆，使得制备的复合材料具有高克容量、高导电性、高首效和更加稳定的循环性能，并且对环境无污染，在高比能电池及后端电动车、储能电站领域具有广阔的应用前景。
上述的制备方法中，优选地，所述氧化亚硅的粒径小于10μm，更加优选地，所述氧化亚硅的粒径为7μm。
上述的制备方法中，优选地，所述可溶性锌盐可以包括醋酸锌、氯化锌和硝酸锌等中的一种或多种的组合。
上述的制备方法中，优选地，所述含氮杂环类有机化合物可以包括2-甲基咪唑、N-乙酰基咪唑和N-甲基咪唑等中的一种或多种的组合。
上述的制备方法中，优选地，所述可溶性锌盐、所述含氮杂环类有机化合物和所述氧化亚硅的摩尔浓度比为1：(2-10)：(35-60)；更加优选地，所述可溶性锌盐、所述含氮杂环类有机化合物和所述氧化亚硅的摩尔浓度比为1:5:45。
上述制备方法中，所采用的有机溶剂只要能保证氧化亚硅、可溶性锌盐、含氮杂环类有机化合物能够溶解即可；优选地，所述有机溶剂可以包括甲醇和/或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等。
上述的制备方法中，优选地，溶液B加入到溶液A后静置的时间为12-24h，更加优选地，溶液B加入到溶液A后静置的时间为24h。在此静置时间范围内，能够保证可溶性锌盐在氧化亚硅表面原位生长出锌骨架。
上述的制备方法中，优选地，进行水热反应的反应温度为80-100℃；反应时间为3-5h；更加优选地，进行水热反应的反应温度为100℃；反应时间为3h。利用水热反应，从而于氧化亚硅表面形成金属有机框架化合物。
上述的制备方法中，优选地，水热反应后干燥的温度为80-100℃；干燥时间为12-24h；更加优选地，水热反应后干燥的温度为80℃；干燥时间为24h。
上述的制备方法中，优选地，在惰性气体氛围下进行煅烧的温度为700-1000℃，升温速度为3-5℃/min；煅烧时间为5-8h；惰性气体是在煅烧前30-60min通入；
更加优选地，在惰性气体氛围下进行煅烧的温度为800℃，升温速度为3℃/min；煅烧时间为5h；惰性气体是在煅烧前30min通入。
上述的制备方法中，优选地，所述惰性气体可以包括氩气和/或氮气等；更加优选地，所述惰性气体为氩气。
另一方面，本发明还提供一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料，该氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料是通过上述制备方法制备获得的。
再一方面，本发明还提供上述氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料作为负极材料在锂电池中的应用。
再一方面，本发明还提供一种锂离子电池电极，该锂离子电池电极包括上述氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
再一方面，本发明还提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括上述锂离子电池电极。
本发明的有益效果：
本发明氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法操作简单、对环境无污染；具有高克容量、高导电性、高首效和更加稳定的循环性能，在高比能电池及后端电动车、储能电站领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料和未进行包覆的氧化亚硅材料的扣电极片的充放电曲线对比图；
图2为本发明实施例1氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料和未进行包覆的氧化亚硅材料的扣电的循环曲线对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
以下实施例中所采用的化学药品试剂若无特殊说明，均为市售获得，纯度级别为化学纯。
实施例1：
本实施例提供一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将8g粒径约为7μm的氧化亚硅粉末溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液A；将0.004moL的Zn(CH3COO)2·2H2O溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液B；将0.02moL的2-甲基咪唑溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液C；
步骤二，将溶液B缓慢加入到溶液A中并静置24h，从而促使醋酸锌在氧化亚硅表面原位生长出锌骨架，然后除去上层液，将剩余溶液加入到溶液C中置于反应釜中于80℃进行水热反应5h，从而于氧化亚硅表面形成金属有机框架化合物。
步骤三，水热反应后离心的固体放入80℃的烘箱中干燥24h；然后将干燥后的固体放入瓷舟，之后将瓷舟放入管式炉中，煅烧升温前30min通入氩气，然后以3℃/min的升温速度升温至800℃，并于此温度下煅烧5h，得到氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
实施例2：
本实施例提供一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤一，将10g粒径约为7μm的氧化亚硅粉末溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液A；将0.004moL的氯化锌溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液B；将0.016moL的N-乙酰基咪唑溶于50mL甲醇溶液中，获得溶液C；
步骤二，将溶液B缓慢加入到溶液A中并静置20h，从而促使醋酸锌在氧化亚硅表面原位生长出锌骨架，然后除去上层液，将剩余溶液加入到溶液C中置于反应釜中于100℃进行水热反应5h，从而于氧化亚硅表面形成金属有机框架化合物。
步骤三，水热反应后离心的固体放入100℃的烘箱中干燥12h；然后将干燥后的固体放入瓷舟，之后将瓷舟放入管式炉中，煅烧升温前50min通入氩气，然后以5℃/min的升温速度升温至900℃，并于此温度下煅烧6h，得到氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
对比实验：
将实施例1制备得到的氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料与Super p和硅基粘结剂按重量比例为91:2:7的配比混合，经过合浆涂布在铜箔上，80℃烘箱干燥24h后得到极片，即为包覆后极片；
同样将未包覆的氧化亚硅按照同样的步骤制备极片即为未包覆极片。
分别取包覆后极片和未包覆极片以金属锂为负极，Celgard2400为隔膜，含有1mol/L的LiPF6和10％质量比FEC的EC+DMC(体积比1:1)溶液为电解液，在氩气气氛手套箱内组装2032型扣式电池，然后进行电化学性能测试(充放电电压区间为0-1.5V)。实验结果如图1所示。
由图1可以看出，在0.1C倍率、充放电区间为0-1.5V的条件下，实施例1的复合材料制备的极片首次放电容量达到2083.03mAh/g，未包覆的氧化亚硅材料制备的极片首次放电容量仅为2019.29mAh/g；在0.1C充电倍率条件下，实施例1的复合材料制备的极片首次充电容量达到1607.36mAh/g，未包覆的氧化亚硅的材料制备的极片首次充电容量仅为1157.10mAh/g；实施例1的复合材料制备的极片首效从57.30％提高到77.16％，且从放电曲线电位可以看出实施例1的包覆材料表现出较小的极化，由此可以看出，相比未包覆氧化亚硅材料，本发明的复合材料具有更高的放电比容量和首效。同时，从图2的扣电循环曲线可以看出，在0.1C倍率充放电条件下，实施例1的复合材料具有更加优良的电化学循环性能。

Claims (10)

1.一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
将氧化亚硅溶于有机溶剂中形成溶液A；
将可溶性锌盐溶于有机溶剂中形成溶液B；
将含氮杂环类有机化合物溶于有机溶剂中形成溶液C；
将溶液B加入到溶液A中并静置；然后除去上层液，将剩余溶液与溶液C混合进行水热反应；
反应产物经干燥并在惰性气体氛围下煅烧获得氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化亚硅的粒径小于10μm；优选地，所述氧化亚硅的粒径为7μm；
优选地，所述可溶性锌盐包括醋酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种或多种的组合；
优选地，所述含氮杂环类有机化合物包括2-甲基咪唑、N-乙酰基咪唑和N-甲基咪唑中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述可溶性锌盐、所述含氮杂环类有机化合物和所述氧化亚硅的摩尔浓度比为1：(2-10)：(35-60)；
优选地，所述可溶性锌盐、所述含氮杂环类有机化合物和所述氧化亚硅的摩尔浓度比为1:5:45。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂包括甲醇和/或N,N-二甲基甲酰胺。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：溶液B加入到溶液A后静置的时间为12-24h；更加优选地，溶液B加入到溶液A后静置的时间为24h；
优选地，进行水热反应的反应温度为80-100℃；反应时间为3-5h；
更加优选地，进行水热反应的反应温度为100℃；反应时间为3h；
优选地，水热反应后干燥的温度为80-100℃；干燥时间为12-24h；
更加优选地，水热反应后干燥的温度为80℃；干燥时间为24h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在惰性气体氛围下进行煅烧的温度为700-1000℃，升温速度为3-5℃/min；煅烧时间为5-8h；惰性气体是在煅烧前30-60min通入；
更加优选地，在惰性气体氛围下进行煅烧的温度为800℃，升温速度为3℃/min；煅烧时间为5h；惰性气体是在煅烧前30min通入；
优选地，所述惰性气体包括氩气和/或氮气；
更加优选地，所述惰性气体为氩气。
7.一种氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料，其特征在于：该氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料是通过权利要求1-6任一项所述制备方法制备获得的。
8.权利要求7所述氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料作为负极材料在锂电池中的应用。
9.一种锂离子电池电极，其特征在于：该锂离子电池电极包括权利要求7所述氮锌共掺杂碳包覆氧化亚硅复合材料。
10.一种锂离子电池，其特征在于：该锂离子电池包括权利要求9所述锂离子电池电极。
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