[發明專利]一種磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910071365.6
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109830662A
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 周盈科;姜婷婷;湯方琪
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M10/0525
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發明涉及一種磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料及其制備方法。其技術方案是：按液固比為3～6L/Kg，將單質硅納米材料加入乙醇溶液中，攪拌，得到納米硅乙醇漿料。按Si∶P的摩爾比為1∶0.0094～0.0360，將磷源加入納米硅乙醇漿料中，攪拌，干燥，得到混合材料I；將混合材料I在保護氣氛和750～1050℃保溫4～10h，冷卻，得到混合材料II。按液固比為40～60L/Kg，將混合材料II加入到濃度為5wt％的氫氟酸的溶液中，浸泡，洗滌，干燥，制得磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料。本發明工藝簡單和操作方便，制備的磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料結構穩定和電化學循環性能優異。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域。具體涉及一種磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

在能源危機、環境污染問題日益嚴重的情況下，追求可持續發展的重要手段之一就是開發可再生、低污染的新能源。其中，交通工具的能量來源逐漸從化石燃料向新型儲能電池傾斜，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、工作溫度范圍寬、放電平穩、體積小、質量輕等優點被認為是高容量、大功率動力電池的理想之選，成為產業界的攻堅熱點。而傳統的鋰離子電池負極材料為碳材料，具有容量較低(理論容量為372mAh/g)、生成固體電解質隔膜厚、表面易析出金屬鋰等缺點。因此，研究開發高性能電極材料如硅材料(理論容量為4200mAh/g)成為眾多研究者關注的課題。

硅負極材料容量高、電位適宜和環境友好，但是在充放電過程中嵌入/脫出鋰時有極大的體積變化(～300％)，從而出現活性材料粉碎、電極結構坍塌甚至從集流體脫落以及固體電解質界面膜(SEI膜)的反復形成，導致容量迅速衰減，此外，低電子/離子電導率使材料難以在高倍率下工作。研究者針對以上的問題嘗試了多種對硅材料的改性方法，主要有碳包覆、薄膜化、合金化或采用多孔結構等。

目前，碳包覆通常采用無定形碳，如“一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法”(CN107634208A)專利技術，其采用的無定形碳層對復合材料導電性提升有限，且碳層的不均勻性易造成孔隙堵塞；薄膜化大多采用化學氣相沉積(CVD)，如“一種鋰離子電池負極材料及其制備方法”(CN103280581A)專利技術，其制備工藝復雜且不適合工業化生產；硅的合金化多與活潑金屬復合，如“鋁硅合金的制備方法和鋁硅合金”(CN108504885A)專利技術，硅-活性金屬材料雖然比容量較高，但是由于活性金屬本身也會出現粉化現象，因而循環性能差。

發明內容

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的在于提供一種工藝簡單和操作方便的磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料的制備方法，用該方法制備的磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料結構穩定和電化學循環性能優異。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

1)按照液固比為3～6L/Kg，將單質硅納米材料加入乙醇溶液中，攪拌20～30min，得到納米硅乙醇漿料。

2)按照Si∶P的摩爾比為1∶0.0094～0.0360，將磷源加入所述納米硅乙醇漿料中，攪拌20～30min，得到混合漿料；再將所述混合漿料于60～80℃條件下干燥1.0～2.0h，得到混合材料I。

3)將所述混合材料I置于管式爐中，在保護氣氛和750～1050℃條件下保溫4～10h，隨爐冷卻至室溫，得到混合材料II。

4)按照液固比為40～60L/Kg，將所述混合材料II加入到濃度為5wt％的氫氟酸的溶液中，浸泡4.0～6.0h，再用去離子水洗滌3～4次；然后于60～80℃條件下干燥6.0～8.0h，制得磷摻雜納米硅鋰離子電池負極材料。

所述單質硅納米材料的粒度為10～1000nm。

所述磷源為磷酸溶液、或為次氯酸磷溶液。

所述保護氣氛為氬氣、或為氮氣、或為氬氣與氫氣的混合氣體。