CN111933911A - 一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料及其制法 - Google Patents

一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池领域，且公开了一种高分散度的SiO2‑氮掺杂多孔碳的负极材料，鸟巢状多层SiO2空心微球复杂的层状结构和独特空心结构，比表面积很高，脱锂/嵌锂活性位点丰富，以功能化Br‑SiO2作为ATRP大分子引发剂，通过原子转移自由基聚合法，使苯乙烯与丙烯酰胺在SiO2空心微球中原位聚合，得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，聚苯乙烯进一步超交联、高温热处理和氢氧化钾刻蚀，得到SiO2‑氮掺杂多孔碳，SiO2空心微球高度分散在氮掺杂多孔碳的基体中，减少了团聚的现象，碳骨架原位生长在SiO2的壳层结构和空心结构中，起到了支撑SiO2骨架的作用，缓冲了脱锂/嵌锂过程产生的应力，减小了SiO2体积膨胀导致基体粉化和脱落的现象。

Description

一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料及其制法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，具体为一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料及其制法。
背景技术
锂离子电池作为可充电的二次电池，具有能量密度高、充放电速率快、循环稳定性好等优点，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域，锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，而负极材料对锂离子电池的影响很大，也决定着锂离子电池的发展前景和应用，研究和开发电化学性能优异、比容量大、循环性能好的负极材料是增强锂离子电池性能的有效途径。
目前的锂离子电池负极材料主要有锡基合金、锑基合金等金属类负极材料；MnO2、Fe2O3、SnO2等过渡金属氧化物负极材料；石墨烯、碳纳米管、硅材料等无机非金属类负极材料，其中硅基材料具有超高的理论比容量，被认为是下一代锂离子电池中最具有发展前景的负极材料，其中二氧化硅具有储锂能力强、理论比容量高，储量丰富，成本低廉等优点，是一种极具潜力的锂离子电池负极材料，但是二氧化硅本征电导率很低，并且二氧化硅负极材料在持续充放电和脱锂/嵌锂过程中，体积膨胀变化很大，基体容易发生团聚和粉化的现象，严重影响了电极材料的实际比容量和电化学循环稳定性能。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料及其制法，解决了SiO2负极材料的导电性能较差的问题，同时解决了SiO2体积膨胀变化大，容易发生团聚和粉化现象的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，所述高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应4-8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应30-60min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至500-550℃，热处理2-4h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65-85℃，匀速搅拌反应10-20h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至30-50℃，匀速搅拌反应6-24h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至45-65℃，匀速搅拌反应6-12h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，匀速搅拌反应24-48h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至600-700℃，煅烧2-4h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至600-650℃，煅烧2-3h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料。
优选的，所述步骤(1)中气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶。
优选的，所述步骤(2)中鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为10:10-40。
优选的，所述步骤(3)中2-溴异丁酰羟乙酯的分子式为
Figure BDA0002629682950000031
与异氰酸酯化SiO2空心微球的质量比为60-180:100。
优选的，所述步骤(4)中的苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜的质量比为100:4-8:40-100:6-15:5-12。
优选的，所述步骤(5)中的SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯和氯化铝的质量比为100:25-35。
优选的，所述步骤(7)中的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾的质量比为10:30-50。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下实验原理和有益技术效果：
该一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，以十六烷基三甲基溴化铵作为结构导向剂，Mg5(CO3)4(OH)2作为小分子空心模板剂，二氧化碳溶解产生的碳酸分解去除Mg5(CO3)4(OH)2模板剂，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球，具有复杂的层状结构和独特空心结构，比表面积很高，脱锂/嵌锂活性位点丰富，具有优异的实际比容量。
该一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，在氨水体系中，通过醇-水解得到SiO2中含有丰富的羟基，与异佛尔酮二异氰酸酯的一个异氰酸酯基团反应，得到异氰酸酯化SiO2空心微球，修饰的异氰酸酯基团再与2-溴异丁酰羟乙酯的羟基反应，得到功能化Br-SiO2，以其作为ATRP大分子引发剂，2,2’-联吡啶作为配体，溴化亚铜为催化剂，通过原子转移自由基聚合法(ATRP)使苯乙烯与丙烯酰胺在SiO2空心微球中原位聚合，得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，SiO2空心微球通过化学键的桥梁作用，高度均匀分布在聚苯乙烯基体。
该一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，以氯化铝作为交联剂，在四氯化碳体系中，使聚苯乙烯发生超交联，得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯，以聚苯乙烯作为碳源，聚合物分子链中的丙烯酰胺组分作为氮源，通过高温热处理，以及氢氧化钾刻蚀，得到SiO2-氮掺杂多孔碳，SiO2空心微球高度分散在氮掺杂多孔碳的基体中，减少了团聚的现象，同时碳骨架原位生长在SiO2的壳层结构和空心结构中，起到了支撑SiO2骨架的作用，缓冲了脱锂/嵌锂过程产生的应力，从而减小了SiO2体积膨胀导致基体粉化和脱落的现象，显著增强了负极材料的电化学循环稳定性能，并且氮掺杂多孔碳具有优异的导电性能和丰富的孔隙结构，在SiO2空心微球外形成导电网络和三维物质传输通道，极大促进了电子的迁移和锂离子的传输，使高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料表现出优异的实际比容量和循环稳定性能。
附图说明
图1是气氛反应仪正面示意图；
图2是弹簧杆俯视示意图；
图3是卡板调节示意图。
1-气氛反应仪；2-水浴槽；3-通气管；4-进气孔；5-电机；6-旋转轴；7-载物台；8-凹型支撑杆；9-支撑块；10-弹簧杆；11-卡板；12-反应瓶。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应4-8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应30-60min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至500-550℃，热处理2-4h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:10-40的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65-85℃，匀速搅拌反应10-20h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和分子式为
Figure BDA0002629682950000051
的2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:60-180，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至30-50℃，匀速搅拌反应6-24h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:4-8:40-100:6-15:5-12，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至45-65℃，匀速搅拌反应6-12h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:25-35，匀速搅拌反应24-48h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至600-700℃，煅烧2-4h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:30-50的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至600-650℃，煅烧2-3h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料。
实施例1
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应4h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应30min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至500℃，热处理2h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:10的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65℃，匀速搅拌反应10h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:60，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至30℃，匀速搅拌反应6h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:4:40:6:5，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至45℃，匀速搅拌反应6h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:25，匀速搅拌反应24h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至600℃，煅烧2h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:30的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至600℃，煅烧2h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料1。
实施例2
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应60min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至550℃，热处理2h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:20的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至75℃，匀速搅拌反应15h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:100，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至50℃，匀速搅拌反应24h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:5:55:9:7，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至45℃，匀速搅拌反应12h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:28，匀速搅拌反应48h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至700℃，煅烧2h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:36的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至600℃，煅烧3h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料2。
实施例3
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应6h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应45min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至520℃，热处理3h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:30的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至75℃，匀速搅拌反应15h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:140，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至40℃，匀速搅拌反应18h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:7:80:12:10，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至55℃，匀速搅拌反应8h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:32，匀速搅拌反应36h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至650℃，煅烧3h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:45的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至620℃，煅烧2.5h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料3。
实施例4
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应60min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至550℃，热处理4h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:40的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至75℃，匀速搅拌反应20h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:180，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至50℃，匀速搅拌反应24h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:8:100:15:12，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至55℃，匀速搅拌反应8h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:35，匀速搅拌反应48h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至700℃，煅烧4h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:50的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至650℃，煅烧3h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料4。
对比例1
(1)向反应瓶中加入浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下匀速搅拌反应8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶，通入二氧化碳气体，匀速搅拌进行刻蚀反应30min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至550℃，热处理4h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球。
(2)向反应瓶中加入甲苯溶剂、质量比为10:5的鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65℃，匀速搅拌反应20h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入甲苯溶剂和异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，两者质量比为100:30，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至30℃，匀速搅拌反应24h，离心分离除去溶剂，使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂。
(4)向反应瓶中加入甲苯溶剂、苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，五者质量比为100:3:20:4:3，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65℃，匀速搅拌反应12h，减压蒸馏除去溶剂、使用丙酮和蒸馏水洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯。
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，两者质量比为100:22，匀速搅拌反应36h，将溶液离心分离除去溶剂，使用乙醇洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯。
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至650℃，煅烧3h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2。
(7)将质量比为10:20的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至650℃，煅烧2h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料对比1。
分别将实施例和对比例中高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，与乙炔黑和聚偏氟乙烯在N-甲基吡咯烷酮溶剂混合，将溶液涂在铜箔表面、干燥并剪裁成电极片，作为锂离子电池负极工作电极，金属锂片为正极电极，Celgard聚丙烯作为隔膜，电解液为1mol/L的LiPF6+碳酸二乙酯+碳酸二甲酯+碳酸乙烯酯溶液，组装成CR2032型纽扣电池，LAND CT2001A电池测试系统测试电池的恒电流充放电性能，测试标准为GB/T 36276-2018。
Figure BDA0002629682950000131

Claims (7)

1.一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料制备方法如下：
(1)向浓氨水、蒸馏水和乙醇混合溶剂中加入加入十六烷基三甲基溴化铵、Mg5(CO3)4(OH)2和正硅酸乙酯，室温下反应4-8h、过滤、洗涤并干燥，固体产物置于氯化铵溶液中，在气氛反应仪中，通入二氧化碳气体，进行刻蚀反应30-60min，将刻蚀前驱体产物置于气氛炉中，通入空气，升温至500-550℃，热处理2-4h，制备得到鸟巢状多层SiO2空心微球；
(2)向甲苯溶剂中加入鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯，超声分散均匀后，在气氛反应仪中并通入氮气，加热至65-85℃，反应10-20h，离心分离、洗涤并干燥，制备得到异氰酸酯化SiO2空心微球；
(3)向甲苯溶剂中加入异氰酸酯化SiO2空心微球和2-溴异丁酰羟乙酯，超声分散均匀后，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至30-50℃，反应6-24h，离心分离、洗涤并干燥，制备得到功能化Br-SiO2大分子引发剂；
(4)向甲苯溶剂中加入苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜，通过冷冻处理以及真空氛围解冻处理，置于在气氛反应仪中并通入氮气，加热至45-65℃，反应6-12h，减压蒸馏、洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯；
(5)向四氯化碳溶剂中加入SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯，搅拌均匀后加入氯化铝，超交联反应24-48h，离心分离、洗涤并干燥，制备得到SiO2空心微球接枝超交联聚苯乙烯；
(6)将SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯置于置于气氛炉中，通入氮气，升温至600-700℃，煅烧2-4h，制备得到氮掺杂碳包覆SiO2；
(7)将氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾混合均匀，置于气氛炉中，升温至600-650℃，煅烧2-3h，制备得到高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(1)中气氛反应仪包括水浴槽，水浴槽上方设置有通气管，通气管表面设置有进气孔，水浴槽内部下方设置有电机，电机活动连接有旋转轴，旋转轴上方固定连接有载物台，载物台上方固定连接有凹型支撑杆，载物台上方两侧固定连接支撑块，支撑块固定连接有弹簧杆，弹簧杆固定连接有卡板，卡板活动连接有反应瓶。
3.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(2)中鸟巢状多层SiO2空心微球和异佛尔酮二异氰酸酯的质量比为10:10-40。
4.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(3)中2-溴异丁酰羟乙酯的分子式为
Figure FDA0002629682940000021
与异氰酸酯化SiO2空心微球的质量比为60-180:100。
5.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(4)中的苯乙烯、丙烯酰胺、功能化Br-SiO2大分子引发剂、2,2’-联吡啶和溴化亚铜的质量比为100:4-8:40-100:6-15:5-12。
6.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(5)中的SiO2空心微球原位接枝聚苯乙烯和氯化铝的质量比为100:25-35。
7.根据权利要求1所述的一种高分散度的SiO2-氮掺杂多孔碳的负极材料，其特征在于：所述步骤(7)中的氮掺杂碳包覆SiO2与氢氧化钾的质量比为10:30-50。
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