[發明專利]一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202110010248.6
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112850715A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 隋艷偉;馮泉濤;崔淼;王巖;孟冬梅
• 申請（專利權）人: 江蘇福瑞士電池科技有限公司
• 主分類號: C01B33/02
• 分類號: C01B33/02;C01B32/05;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 陳鵬

本發明公開一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料、制備方法及其應用，包括：(1)取50～100mg納米硅溶解在100ml去離子水中，分別攪拌和超聲，使納米硅均勻分散在去離子水中；(2)將納米硅質量1～7倍的瓜爾膠溶解在上述溶液中，水浴加熱攪拌后靜置，使瓜爾膠充分溶脹；(3)用移液槍吸取1mL濃度為0.05～0.35mol/L的硼酸鈉溶液加入溶液中，以硼酸鈉為交聯劑形成瓜爾膠水凝膠；(4)將水凝膠冷凍干燥，得到納米硅/瓜爾膠氣凝膠；(5)將氣凝膠在600～800℃，Ar₂保護下，碳化2～3h。本發明有利于鋰離子的快速嵌入和拖嵌，適合大電流充放電，提高了硅碳負極材料的倍率性能。

技術領域

本發明涉及一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料、制備方法及其應用。

背景技術

目前的商用負極材料如天然石墨和人造石墨，不能滿足鋰離子電池對高能量密度的需求，硅相比于其它負極材料具有較大的克容量(3579mAh/g，Li₁₅Si₄)和較低的工作電位(0.4V vs.Li/Li⁺)，是鋰離子負極理想的活性材料。

然而，在合金化和去合金化過程中硅材料會發生大約300％的體積膨脹，在硅顆粒的第一次鋰化和非晶態顆粒的每次脫鋰過程中，顆粒表面就會存在拉伸環向應力。它會導致裂紋、粉碎、硅顆粒從集流體脫落以及固體電解質界面(SEI)的過度生長，影響了硅的循環性能，阻礙了硅的應用。

薄膜、納米粒子、納米線和納米管等納米結構被證明可以有效緩解硅的應力，從而提高硅的結構穩定性。然而，納米結構的大表面積導致更多的SEI形成和更多的鋰離子被消耗，因此它可能降低電池的能量密度。通過加入活性/非活性基體和包覆，有望進一步提高循環性能，抑制體積膨脹應力，抑制硅與電解質的化學反應。雖然可能會降低負極材料的容量，但電池的能量密度仍然可以有顯著提高。

碳除作為活性材料外，還與納米硅結合形成了導電性能好、循環壽命長、安全性高的復合材料。同時，在制備高容量硅/碳復合材料時，應重視硅與石墨的良好結合，以獲得更長的循環壽命。

發明內容

針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料、制備方法及其應用。

為了實現上述目的，本發明采用的一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)取50～100mg納米硅溶解在100ml去離子水中，分別攪拌和超聲，使納米硅均勻分散在去離子水中；

(2)將納米硅質量1～7倍的瓜爾膠溶解在上述溶液中，水浴加熱攪拌后靜置，使瓜爾膠充分溶脹；

(3)用移液槍吸取1mL濃度為0.05～0.35mol/L的硼酸鈉溶液加入到步驟(2)得到的溶液中，磁力攪拌，以硼酸鈉為交聯劑形成瓜爾膠水凝膠；

(4)將步驟(3)得到的水凝膠冷凍干燥，得到納米硅/瓜爾膠氣凝膠；

(5)將步驟(4)得到的氣凝膠在600～800℃，Ar₂保護下，碳化2～3h，反應后即得氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料。

進一步的，所述步驟(1)中納米硅的粒徑在80～100nm，攪拌和超聲的時間分別為1～2h。

進一步的，所述步驟(2)中水浴加熱攪拌的溫度為35～50℃，室溫靜置的時間為2～5h。

進一步的，所述步驟(3)中磁力攪拌的時間為0.5～1h。

進一步的，所述步驟(4)中冷凍干燥的條件為-58℃、真空度10Mpa以下、時間為48h。

進一步的，所述步驟(5)中碳化反應的升溫速率為3～5℃/min。

另外，本發明還提供了一種氮硼共摻雜納米硅碳粉體材料，由所述的制備方法制得。