[發(fā)明專利]一種碳包覆硅負(fù)極材料的合成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010314747.X
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111525108B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 湯昊;譚龍;金鑫;劉莉;紀(jì)善寶;孫潤光
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 許瑩瑩

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種碳包覆硅負(fù)極材料的合成方法。本發(fā)明的制備方法是：將一定比例的化學(xué)式為LiMF₆(M＝P或As或B)的添加劑分散或溶解在有機(jī)溶劑中，在強(qiáng)烈攪拌下分批加入硅粉形成均一的流變體混合物a；將流變體混合物a置于密閉容器中反應(yīng)得到前驅(qū)體b；前驅(qū)體b經(jīng)干燥后，在一定氣氛條件鍛燒后得到Li、F、M(M＝P或As或B)三種元素共摻雜的摻雜硅粉體材料c。將摻雜硅粉體材料c與一定比例的碳源化合物混合均勻，在一定氣氛條件于先預(yù)燒、再燒結(jié)后得到碳包覆硅負(fù)極材料。所制備碳包覆硅負(fù)極材料具有優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性和高比容量，符合高能量密度鋰離子電池對負(fù)極材料的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種碳包覆非金屬離子共摻雜硅負(fù)極材料的合成方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代社會對能源需求的激增，針對太陽能、風(fēng)能以及核能等可替代能源向電能的轉(zhuǎn)化研究得到了不斷發(fā)展。相應(yīng)的，為電能儲存工具而進(jìn)行的研究也在不斷進(jìn)行。其中，鋰離子電池因具有能量密度高、循環(huán)壽命長以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點成為重點發(fā)展對象。現(xiàn)階段，科研工作者主要集中在提高鋰離子電池的能量密度，以期滿足對能量密度要求高的應(yīng)用需求。因此，具有高達(dá)4200mAh g^-1理論容量的硅負(fù)極吸引了眾多科研工作和的注意力。

現(xiàn)階段，為解決硅材料的低電導(dǎo)率和脫嵌鋰過程體積膨脹問題，主要通過對硅材料進(jìn)行表面碳包覆。具有良好導(dǎo)電性能的表面包覆碳可有效提高硅基負(fù)極材料的電導(dǎo)率。同時，表面包覆層還可抑制硅基材料脫嵌鋰過程的體積膨脹效應(yīng)。但是，碳包覆方法并不能改善硅材料的本征電導(dǎo)率。已知的解決該問題的方法為對Si材料進(jìn)行離子摻雜。例如，申請?zhí)枮镃N201710530314.6的專利公開了一種硼摻雜的硅基負(fù)極材料，硼離子摻雜有效提高了納米硅材料中的空位載流子濃度，從而增強(qiáng)了硅材料的本征電子電導(dǎo)率。與現(xiàn)有摻雜技術(shù)不同，本發(fā)明首次運(yùn)用化學(xué)式為LiMF₆(M＝P或As或B)的材料為添加劑，成功實現(xiàn)對硅材料的多種離子共摻雜(Li-P-F，Li-As-F，Li-B-F)。其中，Li離子的摻雜可補(bǔ)償固體電解質(zhì)界面膜形成過程鋰的損耗，從而提高材料的首次循環(huán)效率；M離子的摻雜可提高硅材料的本征電導(dǎo)率，而F離子摻雜則能有效抑制硅材料在充放電過程中的體積膨脹。值得一提的是，本發(fā)明提供的共摻雜工藝僅需使用一種添加劑，可實現(xiàn)均勻摻雜并降低工藝成本。并且，所合成的摻雜硅粉體材料進(jìn)一步與特定碳源結(jié)合后燒結(jié)形成的碳包覆硅負(fù)極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，適合于高能量密度鋰離子電池。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對硅負(fù)極材料存在的低本征電導(dǎo)率，首次庫倫效率低以及充放電過程中體積膨脹問題，提供一種優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性和高比容量碳包覆硅負(fù)極材料的合成方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種碳包覆硅負(fù)極材料的合成方法，包括以下步驟：

(1)將一定比例的化學(xué)式為LiMF₆(M＝P或As或B)的添加劑分散或溶解在有機(jī)溶劑中，在強(qiáng)烈攪拌下分批加入硅粉形成均一的流變體混合物a；

(2)將流變體混合物a置于密閉容器中于25～80℃(優(yōu)選45～65℃)下反應(yīng)1h～24h(優(yōu)選4～10h)得到前驅(qū)體b；

(3)前驅(qū)體b經(jīng)干燥后，在一定氣氛條件于700℃～1300℃(優(yōu)選800℃～950℃)下鍛燒1h～24h(優(yōu)選4h～10h)后得到Li、F、M(M＝P或As或B)三種元素共摻雜的摻雜硅粉體材料c；

(4)將摻雜硅粉體材料c與一定比例的碳源化合物在潤滑劑中混合均勻，在一定氣氛條件于300℃～600℃(優(yōu)選450℃～550℃)預(yù)燒1h～3h(優(yōu)選2h)、650℃～950℃(優(yōu)選700℃～850℃)燒結(jié)4h～20h(優(yōu)選5h～10h)后得到碳包覆硅負(fù)極材料。

更優(yōu)的，所述步驟(1)中的添加劑量為步驟(1)中硅粉質(zhì)量的0.05％～5％，優(yōu)選1％～3％。