[發(fā)明專利]氮碳化硅作為負極材料

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110203822.6
• 申請日: 2011-07-19
• 公開（公告）號: CN102891314A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發(fā)明（設計）人: 張少波;張洪濤;張澤森
• 申請（專利權）人: 張少波;張洪濤;張澤森
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/136;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種電極材料在鋰離子二次電池中的應用、制備方法和鋰離子電池。

背景技術

鋰二次電池(Lithium?Ion?Battery，簡稱LIB)是繼鎳鎘電池、鎳氫電池之后的蓄電池。作為一種新型的化學電源，它具有工作電壓高、比能量大、放電電位曲線平穩(wěn)、自放電小、循環(huán)壽命長、低溫性能好、無記憶、無污染等突出的優(yōu)點，能夠滿足人們對便攜式信息系統(tǒng)所需要的電池輕量化和環(huán)保的雙重要求，廣泛用于移動通訊、筆記本電腦、攝像機等小型數(shù)字系統(tǒng)，也能為電動車輛提供動力電源。

鋰離子電池處于發(fā)展之中，除不斷改進正極材料外，制備可逆地嵌入脫嵌鋰離子的高性能負極材料是重要的。鋰離子電池負極材料一般應在充放電時高度可逆嵌入反應中自由能變化小，鋰離子在負極的固體中擴散系數(shù)高，電導率高，在電解質(zhì)等化學環(huán)境中不發(fā)生反應，熱力學性質(zhì)穩(wěn)定。負極材料的發(fā)展趨勢是以提高容量和循環(huán)穩(wěn)定性為目標。

各種金屬、類金屬及其合金作為電極材料具有高的容量，但由于其在鋰離子電池脫嵌鋰過程中體積膨脹變化大，使電化學活性材料結構破壞，晶體碎裂，循環(huán)周期降低。這些材料不能形成規(guī)模制造。目前，所用的碳和石墨材料理論容量低(372mAh/g)，電位低(Li?vs.Li⁺＜0.1V)，負極材料有必要提高性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供適宜于鋰二次電池使用的負極材料，氮碳化硅粉末，如化學式如Si_1-x-yC_xN_y所示，其中x，y是原子百分比值，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1；在(a)x＞0，y＜0.1時，屬于含氮的硅碳，是一種固相；(b)x＞0，y＞0.1是氮在硅碳中呈共價鍵替代晶體中硅或碳原子位置形成局部的兩相微結構。NIIHARA?IZAK1K?K和KAWAKAMI?N.發(fā)表于J?Mater?Sci?Lett，1990，10(2)：112-116的文章較早地研究了氮碳化硅材料的制備和熱力學性能，其后的研究者也著眼于力學性能，少有關注其插鋰性能的研究。這種負極材料的特征在于在硅碳中氮含量可以控制并逐漸改變。氮碳化硅晶體尺寸的至少一維結晶方向小于100nm，即納米晶相。納米晶相氮碳化硅是晶態(tài)的相，該相顯示結晶原子排列具有長程有序規(guī)律，其x射線圖譜和拉曼光譜均具有尖銳、明確的界限峰值。而“非晶相”，其x射線和拉曼光譜圖則顯示無尖銳和明確的界限峰值。

在一些實施例中，可以選擇x值，使x≥0.4，并且可以選擇y值，使y＞0，y≥0.01，y≥0.06，y≥0.10，或y≥0.15。例如，在一些實施例中，x≥≥0.6，x≥0.7，甚至更大，y＞0或y0.06。當y≥0.06時，N在硅碳中摻雜原子演化為共價結晶態(tài)，在硅碳(SiC)相中形成新相氮化硅(Si₃N₄)。

可以將氮碳化硅用于鋰二次電池負極，所述鋰二次電池還包括，正極和電解質(zhì)。負極優(yōu)選為氮碳化硅與粘接劑(任何已知的粘接劑，如聚酰亞胺)和導電劑(石墨烯、乙炔黑)組合的復合體。電解質(zhì)為任何已知的電解質(zhì)，例如，六氟磷鋰+碳酸亞乙烯酯+碳酸二甲酯+碳酸甲乙脂。

把該種材料引入到鋰二次電池中，它顯示出長的循環(huán)周期和良好的庫倫效率。這種材料及其使用這種負極材料的電池容易制造。

下面的附圖和描述中，給出了本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。從描述和以及權利要求中可以看到本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點。

具體實施方式

本發(fā)明所描述的氮碳化硅粉末材料特別適用于鋰二次電池的負極。該材料的特征在于，用于鋰二次電池的氮碳化硅粉末材料，如式Si_1-x-yC_xN_y所示，其中x，y為原子百分比值，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1。在x≥0.3，y＜0.06時，氮摻雜與硅和碳形成氮碳化硅單相；當x≥0.3，y≥0.06時出現(xiàn)氮原子在晶體中取代碳或者硅原子(一般情況下N取代半徑較小的碳原子)，形成與硅碳共價結合的氮化硅新相微結構。這種顆粒尺度在納米級范圍。晶態(tài)硅碳是耐高溫材料，生成溫度較高(大于1650℃)。優(yōu)選的是，通過高溫燒結技術獲得氮碳化硅。在燒結原料時通入氮氣，控制氮氣流量，可控制氮在硅碳中的含量，決定著硅碳晶體中氮化硅相的出現(xiàn)。