一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料及其制备方法，所述制备方法其包括以下步骤：首先将硅粉和氧化亚硅粉进行球磨混合后，获得混合粉体SiOx，其中0<x<2；将所述混合粉体SiOx与磷酸锂粉体进行球磨混合处理后，获得混合前驱体；所述混合前驱体在含氮源的气氛中烧结处理得到改性前驱体；在改性前驱体中加入有机碳源，在含有氩气的气氛中进行烧结处理，获得锂磷氧氮改性的硅碳复合材料。采用本发明专利技术技术方案得到的硅碳复合材料作为锂离子电池的负极，负极电阻小，锂离子传导速率高结构稳定性和容量保持率高，赋予所述锂离子电池具有高的首次充放电效率，且循环性能较好，循环寿命长，安全性能较高。

A kind of silicon carbon composite material modified by lithium, phosphorus, oxygen and nitrogen and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料
，尤其涉及一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池由于具有安全，使用寿命高，便捷可携带的特点使其作为一种便携式新型能源在众多电子产品领域获得了广泛地运用。目前，锂离子电池用负极材料的重点研究方向正朝着高比容量、大倍率高循环性能和高安全性能的锂型电池材料方向发展。硅具有超高的理论容量（4200mAh/g）和较低的脱锂电位（<0.5V）而被关注。但硅基负极材料存在着严重的体积膨胀现象，在完全嵌锂的过程中，体积的膨胀率可以达到300%，这不仅仅会影响硅负极的颗粒破碎，还会破坏电极的导电网络和粘接剂导电网络，导致活性物质的缺失，所以限制了硅负极的商业化应用。而碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。通过硅碳复合，锂离子电池可获得更高的比容量、更好的导电性与循环稳定性。但是目前的硅碳复合材料作为负极材料的锂离子电池，存在首次充放电效率低，循环寿命差的问题。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料及其制备方法，解决了现有硅碳作为负极材料首次充放电效率低，循环寿命差的技术问题。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：首先将硅粉和氧化亚硅粉进行球磨混合后，获得混合粉体SiOx，其中0<x<2；将所述混合粉体SiOx与磷酸锂粉体进行球磨混合处理后，获得混合前驱体；将所述混合前驱体在含氮源的气氛中烧结处理得到改性前驱体；在改性前驱体中加入有机碳源，在含有氩气的气氛中进行烧结处理，获得锂磷氧氮改性的硅碳复合材料。进一步的，该烧结温度为550~650℃，进一步优选的为600℃。采用本专利技术的技术方案，首先将硅粉和氧化亚硅粉进行高能球磨混合处理，获得混合粉体SiOx；再将其与磷酸锂粉体进行球磨混合处理后，获得混合前驱体；将所述混合前驱体在含有氮源的气氛中烧结处理得到改性前驱体；然后在再加入蔗糖，柠檬酸等碳源在含有氩气的气氛中进行烧结处理，获得锂磷氧氮LPON改性的硅碳复合材料最终获得LPON改性的硅碳复合材料。采用上述方法得到的硅碳复合材料具有良好的电子导电网络，提高了锂离子传导速率、以及结构稳定性和容量保持率。作为本专利技术的进一步改进，所述硅粉、氧化亚硅粉的摩尔比为（0.5-1.5）：（0.5-1.5）。进一步优选的，所述硅粉、氧化亚硅粉的摩尔比为0.8-1.2：1。作为本专利技术的进一步改进，所述硅粉为纳米级，所述氧化亚硅为微米级。作为本专利技术的进一步改进，所述有机碳源包括蔗糖、葡萄糖、淀粉、柠檬酸中至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述改性前驱体与有机碳源的质量比为100:1-20。进一步改进的，所述改性前驱体与有机碳源的质量比为100:1-15。进一步优选的，所述改性前驱体与有机碳源的质量比为100:10。作为本专利技术的进一步改进，所述含氮源的气氛为氨气、氩气与氮气的混合气体、氩气与氨气的混合气体、氮气与氦气的混合气体的任一种。作为本专利技术的进一步改进，所述含有氩气的气氛为氩气、氩气与氮气的混合气体、氩气与氢气的混合气体、氩气与氦气的混合气体的任一种。作为本专利技术的进一步改进，所述混合粉体SiOx与磷酸锂粉体的质量比为1：9-9：1。优选的，所述混合粉体SiOx与磷酸锂粉体的质量比为3：7-7：3。作为本专利技术的进一步改进，球磨混合时，球料比为10：1，球磨混合处理的球磨速度为200~1000r/min。球磨条件优选的正转2h，反转2h，在此条件下重复1-5次。本专利技术还公开了一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料，其采用如上任意一项所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法制备得到。本专利技术还公开了一种负极，其包括集流体和涂覆在集流体上的活性层，所述活性层的材料包括如上所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料。本专利技术还公开了一种锂离子电池，其包括正极和负极，所述负极采用如上所述的负极。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的技术方案得到的硅碳复合材料中，LPON改性在硅碳材料的表面做为连接层和缓冲层，配合热裂解形成的碳层一起隔绝了电解液与氧化硅的直接接触，缓解了常规碳壳容易破裂的问题，提高了库伦效率，有效直观的改善了硅系负极材料的导电性；制备得到的硅碳复合材料具有良好的电子导电网络，提高了碳复合材料颗粒之间的界面离子电导和电子传导，从而提高了电子和锂离子的传导速率，提高其结构稳定性和容量保持率，稳定了硅碳在进行充放电的结构膨胀。另外，所述制备方法能够有效保证生成的硅碳复合材料化学性能稳定，效率高，适用于工业化大规模的生产。采用本专利技术技术方案得到的硅碳复合材料作为锂离子电池的负极，负极电阻小，锂离子传导速率高结构稳定性和容量保持率高，赋予所述锂离子电池具有高的首次充放电效率，且循环性能较好，循环寿命长，安全性能较高。附图说明图1是本专利技术实例LPON改性的硅碳复合材料制备方法的工艺流程示意图。图2是实施例4所得LPON改性的硅碳复合材料的循环伏安曲线图。图3是实施例7所得的LPON改性的硅碳复合材料的交流阻抗图。图4是实施例8得到的LPON改性的硅碳复合材料0.1C时首次充放电曲线图。图5是实施例10得到的LPON改性的硅碳复合材料近300圈性能循环图。图6是实施例9得到的LPON改性的硅碳复合材料与传统硅碳粉体的前25圈循环效果对比图。具体实施方式下面对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。如图1所示，一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤S01，首先将硅粉和氧化亚硅粉进行高能球磨混合后，获得混合粉体SiOx。步骤S02，将所述混合粉体SiOx与一定量的磷酸锂粉体进行球磨混合处理后，获得混合前驱体。步骤S03，将所述混合前驱体在氮源气氛中烧结处理得到改性前驱体。步骤S04，在改性前驱体中加入蔗糖或柠檬酸等有机碳源，然后在含有氩气的气氛中进行烧结处理，获得LPON改性的硅碳复合材料。其中，步骤S01中将所述硅粉和氧化亚硅粉进行球磨混合处理，一方面使得各组分充分混合，另一方面使得各组分颗粒均匀、且颗粒小，如为纳米至亚微米级。优选的，球磨混合处理的球磨速度可以控制为200~1000r/min，具体如300r/min，时间应该是充分的，如球磨时间为4-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：/n首先将硅粉和氧化亚硅粉进行球磨混合后，获得混合粉体SiO

【技术特征摘要】
1.一种锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
首先将硅粉和氧化亚硅粉进行球磨混合后，获得混合粉体SiOx，其中0<x<2；
将所述混合粉体SiOx与磷酸锂粉体进行球磨混合处理后，获得混合前驱体；
将所述混合前驱体在含氮源的气氛中烧结处理得到改性前驱体；
在改性前驱体中加入有机碳源，在含有氩气的气氛中进行烧结处理，获得锂磷氧氮改性的硅碳复合材料。


2.根据权利要求1所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅粉、氧化亚硅粉的摩尔比为（0.5-1.5）：（0.5-1.5）。


3.根据权利要求2所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅粉、氧化亚硅粉的摩尔比为0.8-1.2：1；所述硅粉为纳米级，所述氧化亚硅为微米级。


4.根据权利要求1所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机碳源包括蔗糖、葡萄糖、淀粉、柠檬酸中至少一种。


5.根据权利要求4所述的锂磷氧氮改性的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：于朝明，俞兆喆，
申请(专利权)人：深圳市汇鑫利电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44