【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電池材料，涉及一種摻雜包覆的球形硅碳負極材料、其制備方法及用途。
技術介紹
1、在全球節能減排的大趨勢下，新能源行業將迎來歷史性機遇，交通領域及工業領域的電動化將是主要的減排方式，而儲能技術的發展直接影響到電動化進程，作為當下極具儲能潛力的鋰電池，已在手機，新能源汽車等各種電力驅動設備或機器中得到了廣泛的應用。但隨著新技術的發展以及客戶體驗對滿足感的追求，急迫開發一種高能量、高倍率、高安全性能的新一代鋰電池。
2、目前市場上的鋰電池普遍使用石墨類碳材料作負極材料，如人造石墨、天然石墨、中間相碳微球、軟碳、硬碳等。但此類碳材料放電比首次可逆容量較低，難以滿足人們對長續航鋰電池的需求。因此，需要一種更高比首次可逆容量的材料代替石墨類材料。硅負極理論比首次可逆容量4200mah/g，有著略高于石墨負極電壓平臺，使其充電時不會析鋰，具有良好的安全性能，成為最有潛力代替石墨負極的材料。但其在充放電過程發生不同程度的體積變化，導致活性物質膨脹破裂，甚至與集流體分開，電接觸變差，電化學性能失效，最終電池可逆首次可逆容量下降，使用壽命大大降低。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的不足，本專利技術的目的在于提供一種摻雜包覆的球形硅碳負極材料、其制備方法及用途，本專利技術首先采用納米硅粉和明膠為前驅體，通過熱解制備出高性能的氮摻雜硅碳粉末，氮摻雜可以顯著提高硅碳材料的導電性；隨后，在氮摻雜硅碳粉末表面包覆模板層和聚多巴胺層，通過噴霧干燥形成球形顆粒，不僅提升了聚多巴胺層的包
2、為達此目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、第一方面，本專利技術提供了一種摻雜包覆的球形硅碳負極材料的制備方法，所述制備方法包括：
4、（ⅰ）將明膠溶解于去離子水中并加熱攪拌得到明膠溶液，將硅粉和氮源分散于所述明膠溶液中，混合均勻后依次進行干燥和熱解，得到氮摻雜硅碳粉末；將聚丙烯酸溶液和堿液混合得到模板溶液，將所述氮摻雜硅碳粉末加入所述模板溶液中，經超聲分散后形成懸浮液，向所述懸浮液中滴加異丙醇并混合均勻，以在所述氮摻雜硅碳粉末表面形成模板層，隨后經抽濾和干燥后得到氮摻雜前驅體粉末；
5、（ⅱ）將步驟（ⅰ）得到的所述氮摻雜前驅體粉末與鹽酸多巴胺溶液混合，以在所述模板層表面形成聚多巴胺層，攪拌均勻后得到前驅體漿料；對所述前驅體漿料進行噴霧干燥造粒，以去除所述氮摻雜硅碳粉末與所述聚多巴胺層之間的所述模板層，得到由所述氮摻雜硅碳粉末和所述聚多巴胺層組成的蛋黃-蛋殼結構的復合硅碳材料；將所述復合硅碳材料分散于硝酸銀溶液中并混合攪拌，通過聚多巴胺將銀離子還原為銀粒子，隨后經離心過濾和干燥后得到改性前驅體粉末；
6、（ⅲ）將步驟（ⅱ）得到的所述改性前驅體粉末置于管式爐內，向所述管式爐內通入空氣，同時升高溫度，對所述改性前驅體粉末進行高溫氧化處理；隨后，停止向所述管式爐內通入空氣并開始向所述管式爐內通入氮氣，同時升高溫度，在氮氣氣氛下對所述改性前驅體粉末進行第一煅燒，隨后繼續升高溫度，對所述改性前驅體粉末進行第二煅燒，所述第二煅燒結束后將所述改性前驅體粉末隨爐冷卻至室溫，得到所述摻雜包覆的球形硅碳負極材料。
7、步驟（ⅰ）中，所述明膠與所述硅粉的質量比為(1.5-1.8):1，例如可以是1.5:1、1.52:1、1.54:1、1.56:1、1.58:1、1.6:1、1.62:1、1.64:1、1.66:1、1.68:1、1.7:1、1.72:1、1.74:1、1.76:1、1.78:1或1.8:1，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。
8、所述熱解的溫度為400-500℃，例如可以是400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。
9、步驟（ⅱ）中，所述硝酸銀溶液的濃度為0.001-0.01mol/l，例如可以是0.001mol/l、0.002mol/l、0.003mol/l、0.004mol/l、0.005mol/l、0.006mol/l、0.007mol/l、0.008mol/l、0.009mol/l或0.01mol/l，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。
10、所述復合硅碳材料與所述硝酸銀溶液中硝酸銀的質量比為(10-15):1，例如可以是10:1、10.5:1、11:1、11.5:1、12:1、12.5:1、13:1、13.5:1、14:1、14.5:1或15:1，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。
11、本專利技術首先采用納米硅粉和明膠為前驅體，通過熱解制備出高性能的氮摻雜硅碳粉末，氮摻雜可以顯著提高硅碳材料的導電性；隨后，在氮摻雜硅碳粉末表面包覆模板層和聚多巴胺層，通過噴霧干燥形成球形顆粒，不僅提升了聚多巴胺層的包覆穩定性，同時還能去除氮摻雜硅碳粉末與聚多巴胺層之間的模板層，最終得到了蛋黃-蛋殼結構的復合硅碳材料，為電子的快速傳輸提供通道，促進表面穩定sei膜的形成，大幅提升硅碳負極材料的循環穩定性。
12、本專利技術采用納米硅粉和明膠為前驅體，通過熱解制備出高性能的硅碳材料。由于明膠中存在豐富的氨基(-nh2)和羧基(-cooh)官能團，因此其具有良好的水溶性、成膜性和粘結性，同時，由于硅粉表面存在天然的氧化層，富含si-oh，因此無需對硅粉進行額外的修飾改性便可以使其均勻地分散于明膠溶液中，從而確保明膠可以均勻地附著于硅粉表面，形成原位包覆。此外，明膠在熱解過程中，還可以形成富含n和o雜原子的連續導電網絡，可以進一步提高硅碳材料的導電性。
13、本專利技術特別限定了明膠與硅粉的質量比為(1.5-1.8):1，隨著明膠用量的增加，形成于硅粉表面的包覆層的厚度增加，最終制備得到的硅碳材料在大電流下的容量保持率升高，這是由于明膠用量的增加有助于加快電極整體的電荷轉移速率，因而表現出了優異的倍率性能。當明膠與硅粉的質量比低于1.5:1時，在硅粉表面無法形成完整的包覆層，硅粉間的粘結力較弱，對硅碳材料的導電性的改善效果不明顯。當明膠與硅粉的質量比高于1.8:1，硅粉表面的包覆層較厚，在一定程度上會影響鋰離子的傳輸；同時，明膠用量提高，導致熱解后的硅碳材料的碳含量增大，有效活性物質硅的比例相對降低，導致硅碳材料整體的可逆比容量下降。
14、本專利技術特別限定了熱解的溫度為400-500℃，當熱解溫度低于400℃時，硅粉表面的包覆層較厚，硅粉之間易出現團聚現象。隨著熱解溫度的升高，硅粉表面的包覆層逐漸變薄，硅粉在明膠溶液中逐漸分散。當熱解溫度超過500℃時，部分硅粉表面的包覆層出現了脫落，這是由于明膠分子鏈在高溫時會出現芳構化轉變本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種摻雜包覆的球形硅碳負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅰ）中，所述明膠溶液的質量分數為10-20wt%；
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅰ）中，所述聚丙烯酸溶液的濃度為0.1-0.5g/mL；
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅱ）中，所述氮摻雜前驅體粉末與所述鹽酸多巴胺溶液的比例為1mg:(0.8-1.2)mL；
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅱ）中，所述復合硅碳材料分散于所述硝酸銀溶液后混合攪拌1-2h；
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅲ）中，所述空氣的通入量為500-600mL/h；
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（Ⅲ）中，所述氮氣的通入量為700-800mL/h；
8.一種采用權利要求1至7任一項所述的制備方法制備得到的摻雜包覆的球形硅碳負極材料，其特征在于，所述球形硅碳負極材料包括由氮摻雜硅碳粉末和聚多巴胺層組
9.一種鋰電池負極片，其特征在于，所述鋰電池負極片包括負極集流體和位于所述負極集流體表面的負極活性層，所述負極活性層包括權利要求8所述的摻雜包覆的球形硅碳負極材料。
10.一種鋰電池，其特征在于，所述鋰電池包括外殼和位于所述外殼內的電芯，所述電芯包括依次層疊的正極極片、隔膜和負極極片，所述負極極片為權利要求9所述的鋰電池負極片。
...【技術特征摘要】
1.一種摻雜包覆的球形硅碳負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（ⅰ）中，所述明膠溶液的質量分數為10-20wt%；
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（ⅰ）中，所述聚丙烯酸溶液的濃度為0.1-0.5g/ml；
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（ⅱ）中，所述氮摻雜前驅體粉末與所述鹽酸多巴胺溶液的比例為1mg:(0.8-1.2)ml；
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（ⅱ）中，所述復合硅碳材料分散于所述硝酸銀溶液后混合攪拌1-2h；
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（ⅲ）中，所述空氣的通入量為500-600ml/h；
7.根據權利要求1所述的制備...
【專利技術屬性】
技術研發人員：呂詩，劉會忠，呂贏，
申請(專利權)人：葫蘆島市銘浩新能源材料有限公司，
類型：發明
國別省市：
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