[發明專利]硅基儲鋰材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202280001884.5
• 申請日: 2022-06-24
• 公開（公告）號: CN115298352A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 馬飛;魏良勤;高敏;張秀云;李鳳鳳
• 申請（專利權）人: 上海杉杉科技有限公司
• 主分類號: C23C16/50
• 分類號: C23C16/50;C23C16/24;C23C16/26;C23C16/34;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京市一法律師事務所 11654
• 代理人: 樊文娜;劉榮娟

本申請提供一種硅基儲鋰材料及其制備方法，所述制備方法包括：提供包括碳元素和氧元素的多孔基核；采用氮源氣體和硅源氣體通過等離子體化學氣相沉積工藝在所述多孔基核的孔道中形成單質硅和非晶態的硅氮化合物；在所述多孔基核的表面形成碳包覆層。本申請技術方案的硅基儲鋰材料及其制備方法能夠兼顧快充和循環性能，且能夠直接用于大規模生產。

技術領域

本申請涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種硅基儲鋰材料及其制備方法。

背景技術

隨著智能手機、可穿戴、新能源汽車等現代電子產品技術發展，對于核心動力模塊-電池包的能量密度、安全性以及成本的要求越來越高，市場迫切呼喚材料體系的革新。硅基材料具有能量密度上的顯著優勢，但是純硅體系的負極材料具有較大的體積膨脹率，鋰離子擴散速率偏低，因而限制了其應用。為了改善硅基材料上述缺點，在純硅的區域附近構建緩沖區，從而改善結構穩定性被認為是可行的方式。

有些現有技術通過沉積氮化硅化合物負極薄膜層來改善容量和效率，但是采用銅箔作為沉積基體不僅沉積時間長，而且當沉積厚度超過40nm時，循環性能劇烈下降，首次庫倫效率僅能達到75％，而當沉積厚度低于40nm時，做成的電池能量密度遠低于傳統鋰離子電池，導致無法應用。還有些現有技術提供一種硅-氮化硅-碳復合材料，雖然理論上獲得了氮化硅成分，但是由于反應溫度較高，硅晶粒將不可避免長大，僅能應用于0.1C循環，無法滿足電池快充的使用要求。

發明內容

本申請提供一種能夠提兼顧快充和循環性能且可以直接用于大規模生產的硅基儲鋰材料及制備方法。

本申請的一方面提供一種硅基儲鋰材料的制備方法，包括：提供包括碳元素和氧元素的多孔基核；采用氮源氣體和硅源氣體通過等離子體化學氣相沉積工藝在所述多孔基核的孔道中形成單質硅和非晶態的硅氮化合物；在所述多孔基核的表面形成碳包覆層。

在本申請的一些實施例中，所述單質硅和非晶態的硅氮化合物的晶粒尺寸不超過20nm。

在本申請的一些實施例中，所述等離子體化學氣相沉積工藝的溫度為400℃～750℃，壓力為50Pa～1000Pa，所述氮源氣體和硅源氣體的氣體流量比值為0.03～1，沉積時間為20min～500min。

在本申請的一些實施例中，所述氮源氣體包括N₂和/或NH₃，所述硅源氣體包括SiH₄，SiHCl₃，SiH₂Cl₂，SiH₃Cl和SiCl₄中的至少一種。

在本申請的一些實施例中，越靠近所述孔道的內部，硅元素的濃度越低。

在本申請的一些實施例中，在所述單質硅和非晶態的硅氮化合物中，所述單質硅的質量分數為60％～99.8％。

在本申請的一些實施例中，所述多孔基核的孔道包括孔徑小于2nm的微孔以及孔徑在2nm～50nm的介孔，其中所述微孔的體積分數為30％～70％，所述介孔的體積分數為40％～60％，且所述孔道的孔體積為0.65m³/g～2.5m³/g。

在本申請的一些實施例中，所述硅基儲鋰材料包括硅元素、氮元素及碳元素，且所述硅元素、氮元素及碳元素的摩爾比為1∶x∶y，其中0.03＜x＜y/2，0.6＜y＜2.5。

在本申請的一些實施例中，所述多孔基核中，氧元素的質量分數為0.05～15％，碳元素的質量分數為85％～99.5％。

在本申請的一些實施例中，在所述多孔基核表面形成碳包覆層時的溫度不高于890℃。

在本申請的一些實施例中，形成碳包覆層時的碳源氣體包括甲烷，三聚氰胺，苯胺，乙烯，乙炔，丙烷，丙炔，甲醇及氟碳氣體中的至少一種。