一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，其由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成。本发明专利技术还提出了一种所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，包括：将纳米硅材料均匀分散在磷酸溶液中后喷雾干燥得到磷掺杂纳米硅材料；将磷掺杂纳米硅材料进行一次烧结；将经一次烧结的磷掺杂纳米硅材料均匀分散在水中，加入石墨和有机碳源，分散完全后喷雾干燥和二次烧结。本发明专利技术提出的锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法工艺简单，操作方便，原料天然易得，成本低，后续处理方式方便，易于大规模生产，所得负极材料电子导电率高，体积膨胀小。 1

Phosphorus doped silicon carbon negative electrode material for lithium ion battery and preparation method thereof

The invention discloses a phosphorus doped silicon carbon negative electrode for lithium ion batteries, which is made from phosphorus doped nanoscale silicon material and graphite and organic carbon source after spray granulation. The invention also presents a preparation method of phosphorus doped silicon carbon negative electrode for the lithium ion battery, including: the nano silicon material is evenly dispersed in the phosphoric acid solution by spray drying to obtain the phosphorus doped nanoscale silicon material; the phosphorus doped nanoscale silicon material is sintered once, and the phosphorus doped nanoscale silicon material once sintered once is sintered. Disperse in water, add graphite and organic carbon source, disperse completely after spray drying and two sintering. The preparation method of the phosphor doped silicon carbon negative electrode material used in the lithium ion battery is simple, easy to operate, easy to get raw materials, low cost, convenient for subsequent treatment, easy to mass production, high electronic conductivity of the negative electrode and small volume expansion. One

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池材料
，尤其涉及一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着锂离子电池在电动工具、电动/混动汽车、储能电站等大功率设备应用上的不断拓展，传统石墨负极(372mAh/g)已经很难满足人类对高能量密度电池的需求，因此寻找可以替代石墨的下一代锂离子电池阳极材料成为目前锂离子电池相关研究的热点之一。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，资源丰富，不会与电解液发生溶剂共嵌入现象，同时嵌锂电位较高，更加安全。然而硅阳极材料在充放电过程中会经历高达300％的体积变化，如此高的体积膨胀收缩，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触，同时体积变化带来新表面的产生，需要形成新的固体-电解质界面(SEI)从而导致对电解液的大量消耗，进而导致循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。目前学术界主要通过纳米化、与惰性相复合、造孔等手段优化材料结构以期提升其电化学性能。如houd等(ChouS,WangJ,ChoucairM,etal.Enhancedreversiblelithiumstorageinananosizesilicon/graphenecomposite[J].ElectrochemistryCommunications,2010,12(2):303-306.)通过简单的液相法制备了了硅/石墨烯复合材料，首次可逆容量达2158mAh/g。Kim等(JoYN,KimY,KimJS,etal.Si-graphitecompositesasanodematerialsforlithiumsecondarybatteries[J].JournalofPowerSources,2010,195(18):6031-6036.)用机械球磨的方法制备了硅/石墨/无定型碳材料，材料导电性好，首次库伦效率高达86.4％。Liu等(LiuN,LuZ,ZhaoJ,etal.Apomegranate-inspirednanoscaledesignforlarge-volume-changelithiumbatteryanodes[J].NatNanotechnol,2014,9(3):187-192.)采用聚合物裂解的方法制备一种石榴石结构纳米硅基复合材料。纳米硅团簇颗粒表面包覆一层树脂热解碳。这种材料在1A/g电流密度下首次可逆比容量达2350mAh/g。但是这些方法均是采用碳材料或导电聚合物来提高硅基材料的电子导电性，并没有提高硅材料本征的电子电导率。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法，该制备方法工艺简单，操作方便，原料天然易得，成本低，后续处理方式方便，易于大规模生产，所得负极材料电子导电率高，体积膨胀小。本专利技术提出的一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，所述磷掺杂硅碳负极材料由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成。优选地，在磷掺杂硅碳负极材料中，磷掺杂纳米硅材料的质量百分比为3％-95％，余量为石墨及无定形热解碳。本专利技术还提出的一种所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将纳米硅材料均匀分散在磷酸溶液中，然后进行喷雾造粒，经一次烧结后得到磷掺杂纳米硅材料；S2、将磷掺杂纳米硅材料均匀分散在水中，加入石墨和有机碳源，分散完全后进行喷雾造粒，然后进行二次烧结得到所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料。优选地，在S1中，所述磷酸溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L。优选地，在S1中，在一次烧结过程中，烧结的温度为500-1000℃，烧结的时间为1-12h。优选地，在S1中，所述磷掺杂纳米硅材料中磷掺杂量为0.1wt％-10wt％。优选地，在S2中，所述有机碳源为柠檬酸、蔗糖、淀粉、葡萄糖、羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素钠中一种或多种的混合物；所述石墨为天然石墨、人造石墨、球形石墨、中间相碳微球中的一种或多种的混合物。优选地，在S1和S2中，在喷雾造粒的过程中，喷雾造粒机进风口温度为140-170℃，出风口温度为100-120℃。优选地，在S2中，在二次烧结过程中，烧结的温度为800℃-1200℃，烧结的时间为1h-12h。本专利技术锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料与现有技术相比，具有以下优点：现有技术主要是通过与导电炭、导电聚合物或者金属复合提高硅基材料的电子导电性，本专利技术从硅材料本身的电子导电率出发，以磷酸为磷源，通过在高温条件下磷原子向硅负极材料逐渐扩散，替代部分硅原子，形成替位式掺杂，从而提高纳米硅材料中孤对电子浓度，进而提高硅材料的本征电子导电率。此外，与石墨及有机碳源喷雾造粒，形成的无定形热解碳将磷掺杂纳米硅材料与石墨包覆成类球状结构，从而将三者结合为一个整体，不仅可以进一步提高材料的电子导电性，还能缓冲硅的体积膨胀。本专利技术采用高温烧结及喷雾造粒的方式制备磷掺杂硅碳负极材料，制备工艺简单，操作方便，原料天然易得，成本低，后续处理方式方便。本专利技术制备的磷掺杂硅材料不仅可以应用于锂离子电池负极领域，还可以应用于场效应器件、太阳能器件、发光器件及传感器器件等领域。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的磷掺杂硅碳负极材料放大1000倍的SEM图；图2为本专利技术实施例1制备的磷掺杂硅碳负极材料放大5000倍的SEM图；图3为本专利技术实施例1制备的磷掺杂硅碳负极材料制作的电池与对比例负极材料制作的电池的首次充放电曲线图；图4为实施例1制备的磷掺杂硅碳负极材料制作的电池与对比例负极材料制作的电池的循环性能图。具体实施方式下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1本专利技术提出的一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，所述磷掺杂硅碳负极材料由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成；其中，在磷掺杂硅碳负极材料中，磷掺杂纳米硅材料的质量百分比为10％，余量为石墨及无定形热解碳。本专利技术提出的一种所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将10g纳米硅粉均匀分散在1mol/L的H3PO4溶液中，搅拌0.5h后对其进行喷雾造粒，其中，喷雾造粒机的进风口温度为160℃，出风口温度为110℃，然后将材料放入瓷舟中，放入通氮气的管式炉中进行一次烧结，其中，一次烧结温度为900℃，烧结的时间为12h，室温出料得到磷掺杂纳米硅材料；S2、将磷掺杂纳米硅材料均匀分散在去离子水中，加入85g球形石墨及10g葡萄糖，并且均匀分散1h后进行喷雾造粒，喷雾造粒机进风口温度为160℃，出风口温度为110℃，将造粒后的材料放入通氮气的管式炉中进行二次烧结，其中，二次烧结的温度为1200℃，烧结的时间为2h，室温出料即可获得磷掺杂硅碳负极材料。对本实施例制备的磷掺杂硅碳负极材料进行SEM测试，结果如图1和图2所示，由图1和图2可知，所述磷掺杂硅碳负极材料呈类球形形貌，表面包覆一层无定形热解碳；将本实施例制备的磷掺杂硅碳负极材料按照活性物质：SP：LA133＝8：1：1重量比例进行合浆、涂布，组装CR2016扣式电池，电解液使用1mol/LLiPF6的EC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，其特征在于，所述磷掺杂硅碳负极材料由

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，其特征在于，所述磷掺杂硅碳负极材料由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成。2.根据权利要求1所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，其特征在于，在磷掺杂硅碳负极材料中，磷掺杂纳米硅材料的质量百分比为3％-95％，余量为石墨及无定形热解碳。3.一种如权利要求1或2所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将纳米硅材料均匀分散在磷酸溶液中，然后进行喷雾造粒，经一次烧结后得到磷掺杂纳米硅材料；S2、将磷掺杂纳米硅材料均匀分散在水中，加入石墨和有机碳源，分散完全后进行喷雾造粒，然后进行二次烧结得到所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料。4.根据权利要求3所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，在S1中，所述磷酸溶液的浓度为0.1mol/L-1mol/L。5.根据权利要求3或4所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，在S1中，在一次烧结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，刘会，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34