【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料、及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、隨著過(guò)去十年電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，以合理的成本追求高能量和高功率密度的鋰離子電池構(gòu)成了一個(gè)潛在的研究領(lǐng)域，它支撐了從便攜式電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車和大規(guī)模固定儲(chǔ)能的重要應(yīng)用。高容量負(fù)極材料是下一代高能量密度鋰離子電池的重要組成部分，主要分為金屬負(fù)極（如li）和基于硅的負(fù)極。然而，硅因其在充放電過(guò)程中的體積膨脹變化導(dǎo)致電極粉化，無(wú)法生產(chǎn)穩(wěn)定的sei膜，持續(xù)的消耗鋰造成大量的不可逆容量損失，加速了容量衰減；其次，硅的導(dǎo)電性和擴(kuò)散性較差，帶來(lái)較低的首次庫(kù)倫效率，較差的倍率性能。因此，改善硅的體積膨脹和電導(dǎo)率低的缺陷是迫在眉睫，研究人員構(gòu)建了從一維到三維的硅負(fù)極結(jié)構(gòu)，主要包括與金屬及非金屬合金或簡(jiǎn)單復(fù)合的方式，均可以一定程度達(dá)到改善其缺陷的效果。
2、中國(guó)cn118117081a專利介紹了一種高孔隙率低體積膨脹的硅碳負(fù)極材料的制備方法，首先在氯化鈣硅粉水溶液中添加硅酸鎂鋰溶膠，有利于氯化鈣中的ca2+吸附在納米硅酸鎂鋰的表面，同時(shí)，納米級(jí)硅酸鎂鋰有利于負(fù)載在硅的表面，有助于充分沉積在硅的表面上，經(jīng)刻蝕后，提高了硅表面的孔隙率；同時(shí)，因硅酸鎂鋰負(fù)載在硅的表面，還有助于減少硅在充放電過(guò)程中存在的體積膨脹，提高在充放電過(guò)程中負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。該技術(shù)中硅酸鎂鋰膜的存在可將內(nèi)核硅與電解液隔離開，減少硅表面副反應(yīng)的發(fā)生，還有助于提高電池的倍率性能。但是，在1a/g電流密度下，容量保持率不足40%，說(shuō)明該技術(shù)仍然有待改進(jìn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中高孔隙率低體積膨脹的硅碳負(fù)極材料制備的電池容量保持率低的問(wèn)題，本專利技術(shù)提供了一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料制備及其應(yīng)用，該制備方法簡(jiǎn)單且高效的同時(shí)，得到的負(fù)極材料制備的電池容量高，倍率性能好。
2、本專利技術(shù)是通過(guò)如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的。
3、本專利技術(shù)提供一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其包含60%-70%的硅元素、20%-30%的碳元素、5%-8%的氧元素、0.1%-1%的硫元素、0.1%-1%的硼元素以及0.01%-0.5%磷元素；百分比為各元素占所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料總質(zhì)量的百分比；
4、所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料為三層包覆的栗狀結(jié)構(gòu)，核為雜原子摻雜多孔硅，第一層為硅氧化物層；第二層為碳層；第三層為石墨烯層。
5、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含61.8%-68.1%的硅元素。
6、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含21.93%-29.24%的碳元素。
7、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含5.87%-7.01%的氧元素。
8、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含0.58%-0.81%的硫元素。
9、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含0.43%-0.63%的硼元素。
10、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料包含0.09%-0.27%磷元素。
11、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的d50為130-165nm；優(yōu)選為135-160nm，例如150nm、145nm、155nm、160nm、135nm和140nm。
12、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的電導(dǎo)率為8×10^3-10×10^3s/m，優(yōu)選為8.199×10^3-9.975×10^3s/m，例如8.946×10^3s/m、9.108×10^3s/m、8.995×10^3s/m、9.412×10^3s/m、8.309×10^3s/m、9.975×10^3s/m、9.878×10^3s/m、9.889×10^3s/m、9.297×10^3s/m、8.199×10^3s/m或8.678×10^3s/m；所述電導(dǎo)率采用型號(hào)orionstartm?a212?電導(dǎo)率臺(tái)式測(cè)量?jī)x在室溫下測(cè)定所得。
13、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的孔徑為14-18nm，優(yōu)選為14.9-17.8nm，例如16.7nm、14.9nm、17.8nm、15.7nm、16.2nm、17.1nm、17.2nm、14.9nm、15.1nm、16.8nm或18.2nm。
14、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻為27-37ω，優(yōu)選為27.4-36.8ω，例如32.5ω、29.8ω、34.2ω、27.4ω、31.7ω、34.8ω、36.8ω、32.9ω、29.5ω、28.4ω或35.1ω，所述轉(zhuǎn)移內(nèi)阻通過(guò)藍(lán)電系統(tǒng)采用電化學(xué)阻抗法(壓實(shí)密度1.65g/cm3)測(cè)得。
15、在某一優(yōu)選方案中，所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的首次庫(kù)倫效率為93-95%，優(yōu)選為93.2-94.9%。
16、本專利技術(shù)提供了一種如上所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其包括如下步驟：
17、（1）將硅鎂合金材料（mg2si）和摻雜劑混合后通入co2氣體進(jìn)行加熱，冷卻后，加入鹽酸刻蝕后，經(jīng)過(guò)水洗、過(guò)濾和干燥得到雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料；
18、（2）將雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料、腐殖酸和去離子水混合后，加入氨水得到混合溶液，除去混合溶液中的溶劑后得到腐殖酸包覆的雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料，將腐殖酸包覆的雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料煅燒后，得到石墨烯包覆的雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料。
19、在某一優(yōu)選方案中，在步驟（1）中，所述硅鎂合金材料為市售或者采用如下方法制備得到，所述的方法包括下列步驟：
20、將硅源和鎂粉混合研磨得到硅鎂合金前驅(qū)體，硅鎂合金前驅(qū)體經(jīng)過(guò)熱熔處理，在惰性氣氛下得到硅鎂合金材料。
21、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述硅源為硅粉、二氧化硅粉或氧化亞硅粉，優(yōu)選為硅粉或二氧化硅粉；所述硅源的d50為50-100nm，例如70nm。
22、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述鎂粉的d50為50-100μm，例如75μm。
23、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述硅源和所述鎂粉的質(zhì)量比為1：（1.5-6），優(yōu)選為1：（1.5-3），例如1:2。
24、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述研磨的方式為在球磨罐中進(jìn)行球磨，所述球磨的球料比可為（30-60）:1，例如50:1；所述球磨的轉(zhuǎn)速可為550-750r/min，例如600r/min，所述球磨的時(shí)間可為4-10h，例如6h。
25、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述熱熔的溫度為600-900℃，例如650-700℃。
26、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述熱熔的時(shí)間為3-10h，例如6h。
27、在某一優(yōu)選方案中，在硅鎂合金材料的制備方法中，所述熱熔的升溫速率為1-10℃/min。
28、在本專利技術(shù)中，所述在惰性氣氛為本領(lǐng)域常規(guī)惰性氣氛；某一優(yōu)選方案中，在硅鎂本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其包含60%-70%的硅元素、20%-30%的碳元素、5%-8%的氧元素、0.1%-1%的硫元素、0.1%-1%的硼元素以及0.01%-0.5%磷元素；百分比為各元素占所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料總質(zhì)量的百分比；
2.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
3.如權(quán)利要求2所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
4.如權(quán)利要求3所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
5.一種如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其包括如下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，在步驟（1）中，所述硅鎂合金材料采用如下方法制備得到：
7.如權(quán)利要求6所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
8.如權(quán)利要求7所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
9.如權(quán)利要求8所述的硅碳復(fù)合負(fù)
10.如權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
11.如權(quán)利要求10所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
12.如權(quán)利要求11所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
13.一種石墨烯包覆的雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料，其特征在于，其由如權(quán)利要求5-12中任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到。
14.一種如權(quán)利要求13所述的石墨烯包覆的雜原子摻雜@低碳沉積多孔硅材料在制備電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其包含60%-70%的硅元素、20%-30%的碳元素、5%-8%的氧元素、0.1%-1%的硫元素、0.1%-1%的硼元素以及0.01%-0.5%磷元素；百分比為各元素占所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料總質(zhì)量的百分比；
2.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
3.如權(quán)利要求2所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
4.如權(quán)利要求3所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，其滿足如下一個(gè)或多個(gè)條件：
5.一種如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，其包括如下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，在步驟（1）中，所述硅鎂合金材料采用如下方法制備得到：
7.如權(quán)利要求6所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊廣，顧凱，喬永民，王旭峰，胡欽山，何麗，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：寧波杉杉新材料科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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