本發(fā)明屬于鋰離子電池制備，具體涉及一種氧化亞硅基負極材料及其制備與應用。

背景技術：

1、硅作為負極材料在使用時，展現(xiàn)出了一系列獨特的優(yōu)勢與特性，硅負極材料具有極高的理論容量，這一特性使得硅負極能夠儲存更多的能量，從而提高電池的續(xù)航里程或儲能系統(tǒng)的能量密度，硅負極材料在首次嵌鋰后，其結構會轉變?yōu)闊o定型態(tài)，并在后續(xù)的循環(huán)過程中保持這種形態(tài)，這種結構穩(wěn)定性有助于延長電池的循環(huán)壽命，硅負極的電化學脫嵌鋰過程中，其放電平臺略高于碳類材料，不易引起鋰枝晶在電極表面的形成，這有助于提高電池的安全性和穩(wěn)定性。

2、同時硅作為負極材料時也面臨著一些挑戰(zhàn)，由于共價鍵的存在，硅晶體中的電子被緊緊束縛在原子周圍，無法自由移動，因此硅的導電性較差；嵌鋰過程為合金化反應，充放電過程伴隨著巨大的體積變化，變化率大于300％，氧化亞硅膨脹系數(shù)相對單質硅而言稍低，也達到了110％，遠高于主流的石墨負極，在反復脫嵌離子過程中依然會由于較大的體積膨脹出現(xiàn)材料開裂粉化等現(xiàn)象，極大影響氧化亞硅材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

3、中國專利申請cn116081632a公開了一種摻鎂氧化亞硅復合負極材料及其制備方法，將氧化亞硅細粉和金屬鎂粉，攪拌混合均勻，得到包覆層，該方式物理摻雜，包覆不完全，結構不完整難以緩沖體積膨脹作用。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決通過對氧化亞硅粉末進行二氧化氮等離子體轟擊，從而形成表面摻雜n原子的多孔結構，并且在表面生成兩層致密的碳包覆層，顯著增強氧化亞硅負極材料在充放電過程中的結構完整性，在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，氧化亞硅材料會發(fā)生體積膨脹和收縮，而致密的碳包覆層可以有效地緩解這種體積變化帶來的應力，從而有助于改善作為負極材料時會發(fā)生體積膨脹和收縮的問題。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種氧化亞硅基負極材料，通過如下步驟制備：

4、步驟一：將粒徑為200-300nm氧化亞硅、質量分數(shù)為30-40%的雙氧水和質量分數(shù)為75-80%的濃硫酸加入反應釜中，加熱至120-130℃，500-700r/min的速度攪拌20-30min，過濾，將濾餅用去離子水洗滌至最后一次洗滌液呈中性，60-80℃真空干燥1-2h，得到純凈氧化亞硅粉末；

5、將純凈氧化亞硅粉末置于pecvd（等離子體化學氣相淀積設備）中，按照50-55ml/min的流量通入一氧化二氮氣體10-12min，加熱至400-500℃，在200-300w功率和65-68pa壓強的條件下形成一氧化二氮等離子體，對純凈氧化亞硅粉末進行轟擊，轟擊時間為20-30min，然后將轟擊后的粉末用去離子水洗滌2-3次除去雜質，60-80℃真空干燥1-2h，得到附著有大量氮元素的改性多孔氧化亞硅粉末。

6、步驟二：將1，3，6，8-四（4-甲醛基苯基）-芘、2，5-二氨基苯甲酸、二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、濃度為6mol/l的醋酸溶液和去離子水加入反應釜中，20-25℃和500-700r/min的條件下攪拌30-50min，向反應釜中加入硫酸鋰，加熱至60-75℃，500-600r/min的條件下攪拌反應1-2h，得到膠體顆粒直徑為90-100nm的鋰復合物溶膠。

7、步驟三：將鋰復合物溶膠和改性多孔氧化亞硅粉末加入反應釜中，超聲分散40-60min，60-75℃和500-600r/min的條件下攪拌反應1.5-2h，自然冷卻，抽濾，將濾餅用3-4l去離子水洗滌3-5次，60-80℃真空干燥1-2h，得到多孔氧化亞硅復合物粉末。

8、步驟四：將多孔氧化亞硅復合物粉末和去離子水加入反應釜中，將作為表面活性劑的十六烷基硫酸鈉溶于質量分數(shù)為70%的乙醇水溶液后加入反應釜中，40-50℃和400-500r/min的條件下攪拌20-30min，再向反應釜中加入5-羥基間苯二甲酸，加熱至65-70℃反應12-14h，抽濾，將濾餅用去離子水洗滌，60-80℃真空干燥18-20h，得到前驅體粉末。

9、步驟五：將前驅體粉末置于馬弗爐中，在氮氣保護和950-1000℃的條件下保溫2-4h，使前驅體粉末中的有機物碳化，自然冷卻，得到含有致密碳包覆層的氧化亞硅基負極材料。

10、進一步地，步驟一中氧化亞硅、雙氧水和濃硫酸的用量比為500-600g：1.5-1.8l：900-1000ml。

11、進一步地，步驟二中1，3，6，8-四（4-甲醛基苯基）-芘、2，5-二氨基苯甲酸、二甲基亞砜、n,n-二甲基甲酰胺、醋酸溶液、去離子水和硫酸鋰的用量比為200-250g：250-260g：350-360ml：350-360ml：120-130ml：2-2.5l：200-300g。

12、進一步地，步驟三中鋰復合物溶膠和改性多孔氧化亞硅粉末的用量比為500-600ml：300-350g。

13、進一步地，步驟四中多孔氧化亞硅復合物粉末、去離子水、十六烷基硫酸鈉、乙醇水溶液、5-羥基間苯二甲酸和硫酸鋰的用量比為250-300g：1.5-2l：150-160g：600-700ml：280-290g：200-220g。

14、本發(fā)明還提供一種氧化亞硅基負極材料制備成鋰電池負極的應用。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1.本發(fā)明所制備兩層包覆層在高溫碳化后形成致密的碳包覆層，顯著增強氧化亞硅負極材料在充放電過程中的結構完整性，在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，氧化亞硅材料會發(fā)生體積膨脹和收縮，而致密的碳包覆層可以有效地緩解這種體積變化帶來的應力，可以顯著提高氧化亞硅負極材料的導電性；致密的碳包覆層可以有效地優(yōu)化sei（固體電解質界面）膜的形成，使其更加穩(wěn)定，減少了sei膜的反復生成與破裂，提高首次庫侖效率，有助于保持電池的容量和性能穩(wěn)定性。

17、2.本發(fā)明所制備的改性多孔氧化亞硅粉末，在等離子體轟擊過程中一氧化二氮等離子體中的氮離子和氧離子與氧化亞硅表面的原子發(fā)生碰撞，導致表面的原子或分子獲得能量并發(fā)生位移或濺射，部分氮原子和氧原子會與氧化亞硅表面的硅原子發(fā)生化學反應，這種碰撞和濺射過程會在氧化亞硅表面產(chǎn)生缺陷和孔隙，從而形成多孔結構，同時n元素摻雜在生成的碳層中，提高了導電性能和儲鋰能力。

18、3.多孔性能夠容納更多的鋰離子進行嵌入和脫嵌，也有助于緩解電化學反應過程中材料的體積效應，從而延長電池的循環(huán)壽命，多孔結構的氧化亞硅負極材料具有更大的比表面積，這有利于鋰離子的擴散和電子的傳輸，在鋰離子電池的充放電過程中，負極材料會發(fā)生體積膨脹和收縮，多孔結構的氧化亞硅負極材料可以通過其多孔性來緩沖這種體積變化，從而保持電極結構的穩(wěn)定性。

19、4.本發(fā)明所制備的多孔氧化亞硅復合物粉末，鋰復合物溶膠表面的羧基與改性多孔氧化亞硅粉末表面的羥基發(fā)生反應，并且膠體顆粒的粒徑小于改性多孔氧化亞硅粉末顆粒的粒徑，膠體顆粒吸附在改性多孔氧化亞硅粉末顆粒表面形成第一層包覆層，并且溶膠狀態(tài)下的鋰會滲透進入氧化亞硅的內(nèi)部形成硅酸鋰鹽，起到補鋰的作用，第一層包覆層能有效抑制鋰枝晶的生長，鋰枝晶的生長可能導致電池內(nèi)部短路，增加負極的表面積，導致新暴露的鋰不斷與電解液反應，從而提高電池的循環(huán)壽命和庫倫效率。