阅读说明：本技术 一种氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料的制备方法 (Preparation method of negative electrode material of nitrogen-doped porous carbon-coated porous silicon dioxide ) 是由 张红梅 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及锂离子电池技术领域,且公开了一种氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料,多孔二氧化硅纳米球具有超高的比表面积,通过曼尼希反应,得到含氮碱木质素,与3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵发生取代反应,得到带正电的季铵化含氮碱木质素,与多孔二氧化硅纳米球发生静电吸引,碳化得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅,呈三维网状结构,氮掺杂有利于改善多孔碳的电化学性质,提高多孔碳导电性,二氧化硅均匀分散,加速锂离子传输,提高倍率性能和理论比容量,多孔碳抑制二氧化硅的体积变化,提高负极材料的循环性能,使得氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料具有优异的理论比容量、倍率性能和循环性能。(The invention relates to the technical field of lithium ion batteries and discloses a negative electrode material of nitrogen-doped porous carbon-coated porous silicon dioxide, wherein porous silicon dioxide nanospheres have ultrahigh specific surface area, nitrogen-containing alkali lignin is obtained through Mannich reaction and is subjected to substitution reaction with 3-chloro-2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride to obtain quaternized nitrogen-containing alkali lignin with positive charge, the quaternized nitrogen-containing alkali lignin and the porous silicon dioxide nanospheres are subjected to electrostatic attraction and carbonized to obtain the nitrogen-doped porous carbon-coated porous silicon dioxide which is in a three-dimensional network structure, nitrogen doping is favorable for improving the electrochemical property of the porous carbon, the conductivity of the porous carbon is improved, the silicon dioxide is uniformly dispersed, lithium ion transmission is accelerated, the rate capability and the theoretical specific capacity are improved, the volume change of the silicon dioxide is inhibited by the porous carbon, the cycle performance of the negative electrode material is improved, and the negative electrode material, Rate capability and cycle capability.)

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：一种氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料，氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料制备方法如下：

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为170-200:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却2-4h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应2-3h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在400-500℃下反应3-5h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至60-80℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至80-100℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:15-25:10-16，反应5-7h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为40-60:5-8:100，搅拌均匀，在70-100℃下反应3-5h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为5-15:100:5-10，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为2-3，在140-180℃下反应1-2h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至550-650℃后，碳化2-3h，再升温至800-1000℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀2-3h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

实施例1

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为170:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却2h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应2h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在400℃下反应3h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至60℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至80℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:15:10，反应5h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为40:5:100，搅拌均匀，在70℃下反应3h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为5:100:5，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为3，在140℃下反应1h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至550℃后，碳化2h，再升温至800℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀2h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

实施例2

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为185:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却3h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应2.5h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在450℃下反应4h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至70℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至90℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:20:13，反应6h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为50:6.5:100，搅拌均匀，在85℃下反应4h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为10:100:7.5，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为2，在160℃下反应1.5h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至600℃后，碳化2.5h，再升温至900℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀2.5h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

实施例3

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为180:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却3h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应2h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在460℃下反应4h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至60℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至100℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:18:12，反应6h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为45:6:100，搅拌均匀，在80℃下反应4h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为8:100:8，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为3，在150℃下反应1h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至580℃后，碳化2h，再升温至900℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀2h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

实施例4

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为200:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却4h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应3h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在500℃下反应5h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至80℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至100℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:25:16，反应7h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为60:8:100，搅拌均匀，在100℃下反应5h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为15:100:10，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为2，在180℃下反应2h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至650℃后，碳化3h，再升温至1000℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀3h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

对比例1

(1)向反应瓶中加入去离子水、聚乙烯吡咯烷酮、纳米二氧化硅，二者的质量比为150:10，置于水浴超声装置中，水浴超声装置包括主体，主体的左侧活动连接有控制模块，主体的底部活动连接有加热模块，主体的底部活动连接有温度检测器，主体的右侧活动连接有出水口，出水口的顶部活动连接有阀门，主体的右侧活动连接有磁力线圈，主体的右侧活动连接有超声探头，主体的中间活动连接有滤网，滤网的顶部活动连接有烧杯，超声分散均匀，回流冷却3h，加入氢氧化钠溶液，搅拌反应2h，离心过滤，用去离子水洗涤干净，置于马弗炉中，在450℃下反应5h，得到多孔二氧化硅纳米球；

(2)向反应瓶中加入去离子水、碱木质素，超声分散均匀，加热至70℃，加入三聚氰胺，超声分散均匀，再加热至90℃，滴加甲醛溶液，其中碱木质素、三聚氰胺、甲醛的质量比为100:10:6，反应6h，离心过滤并干燥，得到含氮碱木质素；

(3)向反应瓶中加入去离子水、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、含氮碱木质素，三者的质量比为30:3:100，搅拌均匀，在80℃下反应4h，透析纯化、旋蒸并干燥，得到季铵化含氮碱木质素；

(4)向反应瓶中加入无水乙醇、助溶剂十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素，搅拌均匀，加入多孔二氧化硅纳米球，其中十二烷基苯磺酸钠、季铵化含氮碱木质素、多孔二氧化硅纳米球的质量比为3:100:3，搅拌均匀，加入稀硫酸调节pH为2，在160℃下反应2h，冷却，离心并干燥，得到季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球；

(5)将季铵化含氮碱木质素修饰多孔二氧化硅纳米球置于气氛管式炉中，进行碳化和刻蚀过程，碳化和刻蚀过程为在氮气氛围下升温至550℃后，碳化2h，再升温至800℃，并将氮气转换成二氧化碳气体，刻蚀3h，用去离子水洗涤干净并干燥，得到氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料。

分别向N-甲基吡咯烷酮中加入聚偏氟乙烯、导电炭黑、实施例和对比例中得到的氮掺杂多孔碳包覆多孔二氧化硅的负极材料，搅拌均匀，用涂布机均匀涂布在铜箔上，干燥，作为工作电极，以锂片作为对电极，聚乙烯薄膜作为隔膜，电解液为1mol/L的LiPF₆溶液，在氩气手套箱中组装成锂离子半电池，在3568型电池综合测试仪上进行恒流充放电测试，测试其放电比容量，测试标准为GB/T 36276-2018。