硅基复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及锂离子电池负极材料，特别涉及一种硅基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在开发清洁、高效、可持续的能源的大背景下，锂离子电池因为能量密度高、循环寿命长、输出电压高、绿色环保、无记忆效应等优点成为各国研究的重点。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分之一,其性能直接影响电池整体的能量密度。目前，锂离子电池的主要负极为石墨负极，其容量发挥已经接近理论比容量(372mah·g-1)，因此开发更高比容量的负极材料迫在眉睫。

2、硅由于出色的理论比容量(4200mah·g-1)、适宜的电压平台(0.4v vs.li/li+)、地壳中丰富的储量(26.4％)、环境友好性等优点被认为是极具潜力的下一代负极材料。其中氧化亚硅siox(0＜x＜2)作为硅基负极的一种形式，因具有比容量高、充放电电位低、体积膨胀率低、价格低廉和环境友好等优点，成为锂离子电池负极材料研究热点之一。然而氧化亚硅材料在嵌锂的过程中会生成li2o和li4sio4非活性产物，从而导致部分li失去活性，导致首次效率低，一般仅为70％左右，且在充放电过程中不可避免的体积膨胀，使得siox仍然面临着材料粉化和电导率差的问题。

3、碳包覆是最常见的一种材料改性方法。对材料进行碳包覆，一方面可以提供稳定的化学和电化学反应界面，避免电解液与siox的直接接触，且缓冲siox颗粒在脱嵌锂过程中的体积变化。另一方面可以改善材料表面的电导率。然而为了实现快充性能，颗粒内部的导电性也需要改善。

4、相对于传统的改性方法，杂原子掺杂可显著改变硅基材料的元素构成，操控其表面活性，同时改善其电化学性能。其中氮原子为n型掺杂，即施主型掺杂，氮原子能提供多余的电子，从而提高了载流子浓度和电导率，使得氮掺杂的硅基材料体现出优异的电化学性能。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种硅基复合材料及其制备方法和应用，目的是采用气态的氮源材料与气态的原料混合的方式，使氮元素、硅元素、锂元素均匀弥散分布，氮原子为n型掺杂，能够提供多余的电子，从而提高了载流子浓度和电导率，使硅基复合材料的首次库伦效率高，循环性能好。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种硅基复合材料，所述硅基复合材料的化学通式为：lixsioynz，0＜x＜20，0＜y＜5，0＜z＜10；锂元素质量占所述硅基复合材料质量的2％-20％；氮元素的质量占所述硅基复合材料质量的0.1％-20％；

3、所述硅基复合材料的微观结构为多相弥散结构；所述多相弥散结构由气态原料混合得到；所述气态原料包括：气态的硅源材料、气态的锂源材料和气态的氮源材料；

4、所述硅基复合材料颗粒的平均粒径d50在1nm-100μm之间，比表面积在0.5m2/g-40m2/g之间。

5、优选的，所述气态的硅源材料包括：气化的硅粉和/或气化的二氧化硅；

6、所述气态的锂源材料包括：气化的无机锂源材料和/或气化的有机锂源材料；

7、所述气态的氮源材料包括：含氮气源和/或气化的含氮化合物。

8、优选的，所述锂元素质量占所述硅基复合材料质量的5％-15％；所述氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％；

9、所述硅源材料包括：硅粉和/或二氧化硅；

10、所述锂源材料包括：无机锂源材料和/或有机锂源材料；

11、所述无机锂源材料包括：碳酸锂、氮化锂、磷酸锂、锰酸锂或金属锂中的一种或多种；

12、所述有机锂源材料包括：丁基锂和/或苯基锂；

13、所述氮源材料包括：氮气源和/或含氮化合物；

14、所述氮气源包括：氮气、一氧化氮、二氧化氮或氨气中的一种或多种；

15、所述含氮化合物包括：甲胺、碳酰胺、异氰酸酯或苯胺中的一种或多种。

16、优选的，所述硅基复合材料的外层具有碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0％-20％。

17、第二方面，本发明实施例提供了一种上述第一方面所述的硅基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

18、将硅源材料和锂源材料按比例混合均匀，放入第一炉腔内，抽真空至60-180pa,加热温度在1000℃-2000℃之间，得到第一气源；

19、将所述第一气源引入到第二炉腔内；

20、气态的氮源材料作为第二气源，通入第二炉腔内，使所述第一气源和所述第二气源混合均匀并反应2-6小时，得到混合气体；

21、将所述混合气体在不锈钢衬底上冷却沉积，对沉积的物料进行粉碎和筛分后，得到硅基复合材料；

22、所述硅基复合材料为：lixsioynz，0＜x＜20，0＜y＜5，0＜z＜10；锂元素质量占所述硅基复合材料质量的2％-20％；氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.1％-20％；

23、所述硅基复合材料的微观结构为多相弥散结构；平均粒径d50为1nm-100μm，比表面积为0.5m2/g-40m2/g；

24、其中，所述气态的氮源材料包括:含氮气源和/或气化的含氮化合物；所述含氮化合物的气化温度在25℃-800℃之间。

25、优选的，所述锂元素质量占所述硅基复合材料质量的5％-15％；所述氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％；

26、所述硅源材料包括：硅粉和/或二氧化硅；

27、所述锂源材料包括：无机锂源材料和/或有机锂源材料；

28、所述无机锂源材料包括：碳酸锂、氮化锂、磷酸锂、锰酸锂或金属锂中的一种或多种；

29、所述有机锂源材料包括：丁基锂和/或苯基锂；

30、所述氮源材料包括：氮气源和/或含氮化合物；

31、所述氮气源包括：氮气、一氧化氮、二氧化氮或氨气中的一种或多种；

32、所述含氮化合物包括：甲胺、碳酰胺、异氰酸酯或苯胺中的一种或多种。

33、优选的，所述制备方法还包括对所述硅基复合材料进行碳包覆；所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0％-20％；所述碳包覆的方法包括：气相包覆、液相包覆或固相包覆中的一种。

34、优选的，所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％。

35、第三方面，本发明实施例提供了一种负极极片，包括上述第一方面所述的硅基复合材料。

36、第四方面，本发明实施例提供了一种锂电池，包括上述第三方面所述的负极极片。

37、本发明提供的硅基复合材料，应用气态的氮源材料与气态的原料混合的方式，使氮元素、硅元素、锂元素均匀弥散分布，氮原子为n型掺杂，能够提供多余的电子，从而提高了载流子浓度和电导率，使硅基复合材料的首次库伦效率高，循环性能好。

技术特征：

1.一种硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料的化学通式为：lixsioynz，0＜x＜20，0＜y＜5，0＜z＜10；锂元素质量占所述硅基复合材料质量的2％-20％；氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.1％-20％；

2.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述气态的硅源材料包括：气化的硅粉和/或气化的二氧化硅；

3.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述锂元素质量占所述硅基复合材料质量的5％-15％；所述氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％；

4.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料的外层具有碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0％-20％。

5.一种上述权利要求1-4任一所述的硅基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的基复合材料的制备方法，其特征在于，所述锂元素质量占所述硅基复合材料质量的5％-15％；所述氮元素质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％；

7.根据权利要求5所述的硅基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对所述硅基复合材料进行碳包覆；所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0％-20％；所述碳包覆的方法包括：气相包覆、液相包覆或固相包覆中的一种。

8.根据权利要求7所述的硅基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳包覆层的质量占所述硅基复合材料质量的0.5％-10％。

9.一种负极极片，其特征在于，包括上述权利要求1-4任一所述的硅基复合材料。

10.一种锂电池，其特征在于，包括上述权利要求9所述的负极极片。

技术总结
本发明公开了一种硅基复合材料，硅基复合材料的化学通式为：Li<subgt;x</subgt;SiO<subgt;y</subgt;N<subgt;z</subgt;，0＜x＜20，0＜y＜5，0＜z＜10；锂元素质量占硅基复合材料质量的2％‑20％；氮元素质量占硅基复合材料质量的0.1％‑20％。通过颗粒切面的扫描电镜显示，硅基复合材料的微观结构为多相弥散结构，多相弥散结构由气态原料混合得到，其中气态原料包括：气态的硅源材料、气态的锂源材料和气态的氮源材料。硅基复合材料颗粒的平均粒径D<subgt;50</subgt;在1nm‑100μm之间，比表面积在0.5m<supgt;2</supgt;/g‑40m<supgt;2</supgt;/g之间。本发明公开的硅基负极材料首次库伦效率高，循环性能好。

技术研发人员：王静,罗飞
受保护的技术使用者：溧阳天目先导电池材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13