【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及二次電池，特別是涉及一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法、電化學(xué)裝置、電子設(shè)備。
技術(shù)介紹
1、目前，鋰電池負(fù)極商業(yè)化以人造/天然石墨為主，但已接近其理論比容量極限(372mah/g)。硅的理論比容量高達(dá)4200mah/g，是目前石墨類負(fù)極材料的10倍以上，不存在析鋰隱患，安全性好于石墨類負(fù)極材料，且儲(chǔ)量豐富，成本低廉，是最具潛力的下一代鋰電池負(fù)極材料。然而，由于硅材料在充放電過程中與鋰合金化反應(yīng)，存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)(膨脹率可達(dá)300％)，同時(shí)由于膨脹效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致負(fù)極表面的sei膜重復(fù)破裂、形成，最終導(dǎo)致循環(huán)性能及庫(kù)倫效率較差，需改性方能應(yīng)用。硅負(fù)極材料改性主要包括納米化、碳包覆等手段形成硅碳復(fù)合材料來提升循環(huán)性能。硅納米化有利于應(yīng)力釋放，當(dāng)粒徑＜150nm時(shí)，體積效應(yīng)減弱，納米硅在充放電過程中會(huì)膨脹但不容易破碎，可提升循環(huán)性能，主要包括納米顆粒、納米線、納米片等，可以提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，緩沖材料的體積膨脹，并且可以增加材料的活性界面；碳包覆可提升硅顆粒導(dǎo)電性，提升倍率性能，防止納米硅團(tuán)聚，完整的碳包覆可減小硅材料與電解液直接接觸，抑制sei膜過度生長(zhǎng)，穩(wěn)定界面，提升庫(kù)侖效率。
2、硅碳復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜，無標(biāo)準(zhǔn)化工藝，技術(shù)難度主要在硅材料納米化及與碳材料復(fù)合的制備工藝方面，當(dāng)前采用較普遍的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積法、機(jī)械球磨法、溶膠凝膠法、高溫?zé)峤夥ǎ渲星皟烧哌m合于工業(yè)化生產(chǎn)。機(jī)械球磨法是采用砂磨機(jī)將微米硅粉研磨成納米硅漿料后與石墨復(fù)合、再干燥后制備成硅碳復(fù)合材料，但是該工藝納米硅研磨時(shí)間長(zhǎng)、能耗高，
3、此外，現(xiàn)有的硅碳復(fù)合材料雖能在一定程度上改善硅材料導(dǎo)電性差、循環(huán)性能差的情況，但仍難滿足各領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的電池性能需求，因此從材料組成和工藝角度改善材料仍然很有必要，這樣才能更好地滿足高性能鋰離子電池對(duì)負(fù)極材料的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本專利技術(shù)的目的在于提供一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法、電化學(xué)裝置、電子設(shè)備，通過非金屬摻雜優(yōu)化改善硅碳復(fù)合材料性能，并解決碳基底活性位點(diǎn)不足，氣相沉積過程中對(duì)硅的吸附能力不足等問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本專利技術(shù)第一方面提供一種硅碳復(fù)合材料，包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵；
3、所述硅碳復(fù)合材料滿足以下關(guān)系：
4、e1＝[910.4ln(t1)-1997.7]±10????????(i)，
5、e2＝[503.1ln(t2)-1586]±10??????????(ii)，
6、e1的取值范圍為180-700ev，e2的取值范圍為130-210ev，
7、其中，e1、e2為所述硅碳復(fù)合材料中的非金屬元素和碳元素形成的共價(jià)鍵鍵能，t1、t2為所述非金屬元素的相對(duì)原子質(zhì)量。
8、進(jìn)一步，所述非金屬元素選自b、n、f、cl、s、p中的至少一種。
9、進(jìn)一步，所述非金屬元素和碳元素形成的共價(jià)鍵選自b-c鍵、n-c鍵、f-c鍵、cl-c、s-c鍵、p-c鍵中的至少一種，所述b-c鍵鍵能的取值范圍為188±10ev，所述n-c鍵鍵能的取值范圍為400±10ev，所述f-c鍵鍵能的取值范圍為685±10ev，所述cl-c鍵鍵能的取值范圍為200±10ev，所述s-c鍵鍵能的取值范圍為168±10ev，所述p-c鍵鍵能的取值范圍為134±10ev。
10、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料中，非金屬元素的質(zhì)量百分比的取值范圍為0.001-5wt％，優(yōu)選為0.001-2wt％。
11、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料中，硅元素的質(zhì)量百分比的取值范圍為10-65wt％，優(yōu)選為20-65wt％。
12、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料中，碳元素的質(zhì)量百分比的取值范圍為35-90wt％，優(yōu)選為40-80wt％。
13、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料的id/ig比值的取值范圍為0.4-2，優(yōu)選為0.4-1。
14、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料滿足以下關(guān)系：
15、r＝[m×p/2.21]/[1-m×n/2.25]×100％，
16、r的取值范圍為20-70％，
17、其中，r為所述硅碳復(fù)合材料的孔隙利用率，m為真密度，單位g/cm3，n、p分別為所述碳包覆硅碳復(fù)合材料中的碳、硅元素的質(zhì)量百分比，單位為wt％。
18、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料的孔隙利用率r的取值范圍為30-60％。
19、進(jìn)一步，所述硅碳復(fù)合材料包括內(nèi)核及包覆所述內(nèi)核的碳包覆層，所述內(nèi)核包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵。
20、本專利技術(shù)第二方面提供一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
21、高溫?zé)崽幚聿襟E：將碳源、無機(jī)非金屬源、造孔劑混合均勻后，通過高溫?zé)崽幚碇苽涞玫椒墙饘贀诫s碳基材料；
22、化學(xué)氣相沉積步驟：通過化學(xué)氣相沉積的方式將硅源與所述非金屬摻雜碳基材料進(jìn)行反應(yīng)，合成得到硅碳復(fù)合材料；
23、所述硅碳復(fù)合材料包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵；
24、所述硅碳復(fù)合材料滿足以下關(guān)系：
25、e1＝[910.4ln(t1)-1997.7]±10????????(i)，
26、e2＝[503.1ln(t2)-1586]±10??????????(ii)，
27、e1的取值范圍為180-700ev，e2的取值范圍為130-210ev，
28、其中，e1、e2為所述硅碳復(fù)合材料中的非金屬元素和碳元素形成的共價(jià)鍵鍵能，t1、t2為所述非金屬元素的相對(duì)原子質(zhì)量。
29、進(jìn)一步，所述碳源選自葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、殼聚糖和可溶性淀粉中的至少一種。
30、進(jìn)一步，所述無機(jī)非金屬源選自硼源、氮源、氟源、氯源、硫源、磷源中的至少一種。
31、進(jìn)一步，所述硅源選自甲硅烷sih4、乙硅烷h6si2、二甲基二氯硅烷、三氯甲基硅烷、四甲基硅烷、三氯硅烷、四氯甲硅烷、硅酸甲酯、硅酸乙酯中的至少一種。
32、進(jìn)一步，所本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種硅碳復(fù)合材料，其特征在于，包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：所述非金屬元素選自B、N、F、Cl、S、P中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：滿足如下條件(a)至(e)中至少一種：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：所述硅碳復(fù)合材料包括內(nèi)核及包覆所述內(nèi)核的碳包覆層，所述內(nèi)核包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵。
5.一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述硅碳復(fù)合材料的制備方法還包括如下步驟：對(duì)所述硅碳復(fù)合材料進(jìn)行碳包覆。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：化學(xué)氣相沉積時(shí)間為1-12h。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合材料
9.一種電化學(xué)裝置，其特征在于：包括負(fù)極極片，所述負(fù)極極片包括負(fù)極集流體和設(shè)置在所述負(fù)極集流體上的負(fù)極活性物質(zhì)層，所述負(fù)極活性物質(zhì)層包括負(fù)極活性材料，所述負(fù)極活性材料包括如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合材料和/或根據(jù)權(quán)利要求5-8任一項(xiàng)所述方法制備得到的硅碳復(fù)合材料。
10.一種電子設(shè)備，其特征在于：包括如權(quán)利要求9所述的電化學(xué)裝置。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種硅碳復(fù)合材料，其特征在于，包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：所述非金屬元素選自b、n、f、cl、s、p中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：滿足如下條件(a)至(e)中至少一種：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于：所述硅碳復(fù)合材料包括內(nèi)核及包覆所述內(nèi)核的碳包覆層，所述內(nèi)核包括碳基底，附著在所述碳基底表面和/或內(nèi)部的硅材料，以及摻雜在所述碳基底上的非金屬元素，所述非金屬元素和碳元素形成共價(jià)鍵。
5.一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根據(jù)權(quán)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃鵬，李若楠，孫中貴，孫化雨，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：株式會(huì)社AESC日本，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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