元素掺杂的硅碳复合负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种元素掺杂的硅碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，硅由于具有成本低、环保、高比容量(4200mah·g-1)、电压平台略高于石墨、充电时不会在表面造成锂金属沉积等优点，被视为一种有望取代石墨新一代负极材料。然而，硅材料的体积会在嵌锂时剧烈膨胀(～300％)，脱锂时剧烈收缩，这种反复的剧烈的体积变化(称为体积效应)会引起硅材料开裂和粉化而造成结构坍塌，导致活性物与集流体剥离失去电接触，使电池循环稳定性降低。此外，由于这种体积效应，硅很难在电解质中形成稳定的固态电解质界面(sei)。而随着结构的破坏，新的硅外露在表面不断形成sei膜，这将加剧硅的腐蚀，从而造成电池的容量衰减。

2、为缓解上述问题，改善硅材料的电化学性能，现有技术通常将硅材料进行氧化后形成氧化硅壳。然而，硅的电导率为103ω·m，而氧化后的材料(siox)电导率更低，严重影响了电荷传递。再者，以siox来抑制膨胀，会因为电化学副反应增加锂离子的消耗，导致长循环效果受影响。

技术实现思路

1、有鉴于此，确有必要提供一种元素掺杂的硅碳复合负极材料及其制备方法，可以解决上述技术问题。

2、一种元素掺杂的硅碳复合负极材料，其包括多个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒，每个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒包括一元素掺杂的硅纳米颗粒、一第一碳包覆层及一第二碳包覆层，所述元素掺杂的硅纳米颗粒为核，所述第一碳包覆层包覆在元素掺杂的硅纳米颗粒表面，所述第二碳包覆层包覆所述第一碳包覆层，所述掺杂元素为iiia族元素、va族元素或者過渡金屬元素中的一种或者几种。

3、所述元素掺杂的硅碳复合负极材料完全不含氧化硅或几乎不含氧化硅。

4、所述元素掺杂的硅碳复合负极材料中氧化硅的质量百分含量小于等于0.1％。

5、所述元素掺杂的硅碳复合负极材料完全不含氧化物或几乎不含氧化物。

6、一种元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

7、在保护环境下，将硅料进行纳米化，得到纳米硅，或所述保护环境由通入惰性气氛或加入溶剂获得；

8、在所述保护环境下，将适量的掺杂元素原材料加入纳米硅中，然后加入一高分子聚合物，将纳米硅、掺杂元素原材料和高分子聚合物充分搅拌混合，得到掺杂后的纳米硅材料；

9、在高分子聚合物伴随下，加入第一碳源，进行自组装，然后加入第二碳源进行自组装，得到层状纳米硅；

10、在所述保护环境下，将所述层状纳米硅进行造粒，得到球状的前驱体；

11、将所述前驱体在还原性气氛或真空环境下进行烧结，烧结温度为800℃～1100℃，得到所述硅碳复合负极材料。

12、在某个实施例中，所述第一碳源包括沥青、石墨和石墨烯中的至少一种。所述第一碳源形成层状的第一碳包覆层。所述第一碳包覆层将元素掺杂的硅纳米颗粒包覆在内部，能抑制体积膨胀，降低体积效应。所述第二碳源包括炭黑、纳米碳管和纳米碳纤维中的至少一种。所述第二碳源形成层状的第二碳包覆层，第二碳包覆层将第一碳包覆层包覆。第二碳源相较于第一碳源具有更高的电导率，第二碳包覆层可以提供电荷传递从而提升电容量。

13、所述惰性气氛包括氩气、氮气和氦气中的至少一种。所述惰性气氛可提供无氧环境，防止纳米硅被氧化，使制备出的元素掺杂的硅碳复合负极材料不含硅的氧化物材料，有利于提升所述元素掺杂的硅碳复合负极材料的电化学性能和降低体积效应。

14、本发明所提供的元素掺杂的硅碳复合负极材料及其制备方法具有以下优点：第一、元素掺杂可以在硅晶格内预留空间，在循环过程中提供硅材料体积膨胀时需要的缓冲空间，从而使得所述元素掺杂的硅碳复合负极材料的循环性能大幅提升。第二，所述元素掺杂的硅碳复合负极材料不含氧化物，在充放电循环过程中，没有不可逆的氧化物来增加锂离子的消耗，进而提升了效率。第三、所述元素掺杂的硅碳复合负极材料包括了第一碳包覆层和第二碳包覆层，所述第一碳包覆层为缓冲层，能抑制膨胀；第二碳包覆层为导电层能提供电荷传递从而提升电容量，改善了硅碳复合负极材料的电化学性能。本申请所提供的制备元素掺杂的硅碳复合负极材料的方法，在保护气体的氛围下进行，可以避免氧化物的产生，而且，工艺简单、易于控制流程、适合工业化生产。

技术特征：

1.一种元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，其包括多个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒，每个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒包括一元素掺杂的硅纳米颗粒、一第一碳包覆层及一第二碳包覆层，所述元素掺杂的硅纳米颗粒为核，所述第一碳包覆层包覆在元素掺杂的硅纳米颗粒表面，所述第二碳包覆层包覆所述第一碳包覆层，所述掺杂元素为iiia族元素、va族元素或者過渡金屬元素中的一种或者几种。

2.如权利要求1所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，所述元素掺杂的硅碳复合负极材料不含氧化硅。

3.如权利要求1所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，所述元素掺杂的硅碳复合负极材料中氧化硅的质量百分含量小于等于0.1％。

4.如权利要求1至3中任一项所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，所述元素掺杂的硅纳米颗粒包括硅基体和位于硅基体内的掺杂元素。

5.如权利要求1至3中任一项所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，所述掺杂元素为硼(b)、铝(al)、镓(ga)、铟(in)、铊(tl)、锗(ge)、锡(sn)、铅(pb)、氮(n)、磷(p)、砷(as)、碲(sb)、铋(bi)、钪(sc)、钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锰(mn)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)、锌(zn)、钇(y)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)、锝(tc)、钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、银(ag)或镉(cd)中的一种或者几种。

6.如权利要求1至3中任一项所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料，其特征在于，所述第一碳包覆层的材料包括沥青、石墨和石墨烯中的至少一种，所述第二碳包覆层的材料包括炭黑、纳米碳管和纳米碳纤维中的至少一种。

7.一种元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

8.如权利要求7中所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅料可为半导体等级的硅料，硅料的粒径大于等于10微米。

9.如权利要求7或8所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂二甘醇(deg)、聚乙二醇(peg)、丙二醇(pg)、二甲基亚砜(dmso)中的一种或几种。

10.如权利要求7或8所述的元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为两性高分子，同时具有疏水基和亲水基。

技术总结
本发明涉及一种元素掺杂的硅碳复合负极材料，其包括多个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒，每个元素掺杂的硅碳复合负极材料颗粒包括一元素掺杂的硅纳米颗粒、一第一碳包覆层及一第二碳包覆层，所述元素掺杂的硅纳米颗粒为核，所述第一碳包覆层包覆在元素掺杂的硅纳米颗粒表面，所述第二碳包覆层包覆所述第一碳包覆层，所述掺杂元素为IIIA族元素、VA族元素或者過渡金屬元素中的一种或者几种。本发明进一步包括一种制备所述元素掺杂的硅碳复合负极材料的制备方法。

技术研发人员：陈懋松,陈苇伦,赖鸿政,张曾隆
受保护的技术使用者：鸿海精密工业股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16