[發明專利]極低電阻率的硅負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210034872.4
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114525580A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 田達晰
• 申請（專利權）人: 田達晰
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發明公開了極低電阻率的硅負極材料及其制備方法。一種極低電阻率的P型摻雜硅負極材料的制備方法，包括如下步驟：1）制備高摻雜濃度的P型硅熔體；2）控制硅熔體的溫度在設定溫度1420?2000℃；3）快速冷卻硅熔體，得到直徑1－10毫米的顆粒。另一種極低電阻率的N型摻雜硅負極材料的制備方法，包括如下步驟：1）制備無摻雜劑的硅熔體；2）控制硅熔體的溫度在設定溫度1420?2000℃；3）摻入N型摻雜劑；溫度達到設定溫度后，將N型摻雜劑摻入硅熔體內，同時保持設定溫度到形成摻雜劑的飽和溶液，摻雜劑為磷、砷、銻中的一種或幾種。4）快速冷卻硅熔體，得到直徑1－10毫米的顆粒。本發明摻雜濃度高，工藝可靠，成本低，產量高。

技術領域

本發明涉及極低電阻率的硅負極材料及其制備方法。

背景技術

車用動力電池要解決的兩個關鍵問題是縮短充電時間、延長續航里程。

當前，動力電池的能量密度還未能完全解決電動汽車續航短的問題，同時隨著未來電動汽車智能化功能的增加，車輛用電必然會持續增長。

從電池本身來看，提升電池能量密度可從正極、負極、電解液、隔膜等方面入手。現階段提升電池能量密度的關鍵問題在于負極材料。目前動力電池負極材料普遍采用石墨材料，石墨負極材料克容量已經做到360mAh/g，接近372mAh/g的理論克容量，想再提升已經比較困難，開發新型的鋰電池負極材料及技術迫在眉睫。

目前業界認為硅負極材料是石墨負極材料的理想替代產品。硅材料的理論克容量高達4200mAh/g，遠高于石墨材料的372mAh/g，是目前已知能用于負極的材料中理論克容量最高的材料。低嵌鋰電位、低原子質量、高能量密度，環境友好、儲量豐富、成本較低等也都是硅負極的優勢。

硅負極材料最突出的缺點就是在電化學反應中體積膨脹率高達320%，遠高于現有的石墨材料10%左右的膨脹率。膨脹和收縮頻繁發生，會使材料結構的崩塌幾率顯著加大，縮短電池的循環壽命，導致其難以滿足電動汽車的使用需求。

現在純硅負極材料的使用技術瓶頸還沒有突破，目前都是通過摻入約10%的硅負極材料加工成硅碳負極材料，達到能量密度提升與壽命不衰減的某種平衡。

常溫下石墨的電阻率為0.0008-0.0013?cm。平衡或通常的隨爐冷卻速度條件下，P型摻硼硅最大的硼濃度為6×10²⁰atoms/cm³，對應的電阻率為0.00021?cm，N型摻磷硅最大的磷濃度為1.5×10²¹atoms/cm³，對應的電阻率為0.000105?cm，還不能滿足快速充電對硅碳負極電阻率的要求。為了盡可能降低硅碳負極的電阻、縮短充電時間、減少充電放熱量，用于硅碳負極的硅材料的電阻率必須降低。

為了盡可能降低硅負極材料的電阻率，必須大幅度提高純硅負極材料的摻雜濃度。這可以通過提高硅中摻雜原子（P型摻雜時單獨或同時摻入硼、鋁、鎵等P型摻雜元素，N型摻雜時單獨和或同時摻入磷、砷、銻等N型摻雜元素）的濃度來實現，使硅中摻雜原子的原子濃度盡可能遠地超過3%。這樣的摻雜原子濃度已經超過了這些原子在硅中的平衡固溶度(熔點溫度)，通常的熔化加隨爐冷卻方法已經不能滿足要求。

采用等離子體加工方法可以滿足要求但存在成本高產量低的問題。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了極低電阻率的硅負極材料及其制備方法。

一種極低電阻率的P型摻雜硅負極材料的制備方法，包括如下步驟：

1）制備高摻雜濃度的P型硅熔體；

2）控制硅熔體的溫度在設定溫度1420-2000℃；

3）快速冷卻硅熔體，得到直徑1－10毫米的顆粒。