硅基储锂材料及其制备方法技术

本申请提供一种新的硅基储锂材料及其制作方法，所述硅基储锂材料包括：第一组分，所述第一组分包括化合价在

Silicon based lithium storage material and its preparation

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硅基储锂材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种硅基储锂材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，人们对锂离子电池能量密度提出更高的要求，从而需要更高容量的负极材料。目前硅氧负极已经开始应用于动力电池，且呈快速增长趋势。现有采用氧化硅制备锂电池负极材料的技术，多为通过含有硅粒子Si和氧化硅SiO2的原材料在高温真空条件下获得，所述方法获得的硅基储锂材料首次库伦效率差，循环特性也较差，而且，所述方法难以形成包括掺杂均匀的掺杂元素(例如硫、磷等)的硅基储锂材料。因此，需要提供一种新的硅基储锂材料及其制作方法。
技术实现思路
本申请提供一种新的硅基储锂材料及其制作方法，可以获得均质掺杂体系的硅基储锂材料，改善了所述硅基储锂材料作为锂离子二次电池活性物质在高温存储条件下的特性，同时提高了二次电池的循环特性和初期充放电库伦效率。本申请的一方面提供一种硅基储锂材料，包括：第一组分，所述第一组分包括化合价在价的Si，其中为化合价在1～4之间的硅元素的摩尔数，CSi(0)为化合价为0的硅元素的摩尔数；以及第二组分，所述第二组分包括掺杂元素R，所述掺杂元素R至少包括I，II，III主族元素中的一种，其中CR为掺杂元素R的摩尔数，为化合价在0～4之间的硅元素的摩尔数。在本申请的一些实施例中，所述I，II，III主族元素包括Li，Na，Mg，Ca或者Al。在本申请的一些实施例中，所述材料表面还包括碳包覆层。在本申请的一些实施例中，所述碳包覆层的质量百分比含量大于0小于10％。在本申请的一些实施例中，所述碳包覆层包括无定形碳包覆层或者石墨化碳包覆层中的至少一种。在本申请的一些实施例中，所述碳包覆层包括一层以上的无定形碳包覆层和一层以上的石墨化碳包覆层，所述一层以上的无定形碳包覆层和一层以上的石墨化碳包覆层交替排布。在本申请的一些实施例中，所述的无定形碳包覆层中掺杂有氮原子，所述石墨化碳包覆层中掺杂有氮原子。在本申请的一些实施例中，所述化合价在价的Si和所述掺杂元素R均匀分布。本申请还提供一种硅基储锂材料的制备方法，包括：提供第一混合物，所述第一混合物至少包括硅的单质态以及硅的+4价氧化态，所述第一混合物中包括掺杂元素R，所述掺杂元素R至少包括I，II，III主族元素中的一种，且其中CR为掺杂元素R的摩尔数，为化合价在0～4之间的硅元素的摩尔数；以及将所述第一混合物在非氧化性气体保护下，加热至熔融态后以5℃/S～30℃/S的降温速率降至室温。在本申请的一些实施例中，所述I，II，III主族元素包括Li，Na，Mg，Ca或者Al。在本申请的一些实施例中，所述加热至熔融态的温度为在本申请的一些实施例中，将所述熔融态的第一混合物以5-30℃/S的降温速率降至室温的方法包括：将所述熔融态的第一混合物浇筑到快速辊轮上，通过辊轮的离心作用使所述熔融态的第一混合物与辊轮分离，获得薄片状的冷却产物。在本申请的一些实施例中，所述方法还包括对所述薄片状的冷却产物进行粉化处理，形成中值粒径为1-8□的粉末。在本申请的一些实施例中，所述方法还包括：在所述粉化处理后的硅基储锂材料表面沉积碳包覆层。在本申请的一些实施例中，所述沉积碳包覆层的方法包括：在非氧化性氛围中，使碳源物质通过预分解区，形成分解产物，其中，所述碳源物质包括气体碳源物质，蒸汽化碳源物质或者雾化碳源物质中的一种以上；调控所述分解产物进入沉积包覆区反应腔的流动速度VG以及分解产物摩尔流速与所述粉化处理后的硅基储锂材料的质量比Mc/M，使所述粉化处理后的硅基储锂材料与所述分解产物在沉积包覆区发生沉积包覆反应，在所述粉化处理后的硅基储锂材料表面形成无定形碳包覆层或者石墨化碳包覆层或者包括无定形碳包覆层和石墨化碳包覆层的复合层，其中，0.01≤VG≤100，0.001≤Mc/M≤1，VG单位为m/min，Mc单位为mol/min，以碳原子计，M为粉化处理后的硅基储锂材料质量，单位kg。在本申请的一些实施例中，在第一条件：10≤VG≤100，0.001≤Mc/M＜0.1时，在硅基储锂材料表面形成石墨化碳包覆层；在第二条件：0.01≤VG≤5，0.2＜Mc/M≤1时，在硅基储锂材料表面形成无定形碳包覆层。在本申请的一些实施例中，调整所述VG以及Mc/M的值在第一条件和第二条件之间交替转换，在所述硅基储锂材料表面形成交替包覆的无定形碳包覆层和石墨化碳包覆层。在本申请的一些实施例中，所述气体碳源物质包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯，所述蒸汽化碳源物质包括正己烷、乙醇、苯，所述雾化碳源物质包括聚乙烯、聚丙烯。在本申请的一些实施例中，发生所述沉积包覆反应的过程中，还可以通入含N物质，所述含N物质包括NH3、乙腈、苯胺或者丁胺中的一种或者多种。本申请实施例所述硅基储锂材料的制备方法，结合高温熔炼以及快速冷凝控制技术和元素R的掺入调控，形成了掺杂型的均质体系，实现了硅基储锂材料的价态、结构、晶形、磁学环境的均匀改性，改善了其作为锂离子二次电池活性物质嵌入活性锂之后在高温存储条件下的特性并获得最佳结果，同时提高了电池的循环特性和初期充放电库伦效率。本申请中另外的特征将部分地在下面的描述中阐述。通过该阐述，使以下实施例叙述的内容对本领域普通技术人员来说变得显而易见。本申请中的专利技术点可以通过实践或使用下面讨论的详细示例中阐述的方法、手段及其组合来得到充分阐释。具体实施方式以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本公开不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。下面结合实施例对本专利技术技术方案进行详细说明。本申请实施例提供一种硅基储锂材料，所述材料包括：第一组分，所述第一组分包括化合价在价的Si，其中为化合价在1～4之间的硅元素的摩尔数，CSi(0)为化合价为0的硅元素的摩尔数；第二组分，所述第二组分包括掺杂元素R，所述掺杂元素R至少包括I，II，III主族元素中的一种，其中CR为掺杂元素R的摩尔数，为化合价在0～4之间的硅元素的摩尔数。在本申请的一些实施例中，所述化合价在价的Si，包括单质态存在的Si粒子，硅氧化物SiOx(0＜x≤2)以及硅酸盐例如通式为MySiO3的化合物，其中1≤y≤2；M为I，II，III主族元素例如Li、Na、Mg，Ca或者Al等。其中所述的指化合价在1～4之间的硅的摩尔数，CSi(0)指以单质形式存在，化合价为0的硅原子的摩尔数，指化合价在1～4之间的硅与单质硅之间的摩尔比(原子个数比)。所述的值可以通过调整所述硅基储锂材料中包含的硅粒子，硅氧化硅以及硅酸盐之间的含量来实现。在本申请的一些实施例中，标记所述的掺杂元素为R，则所述掺杂元素R可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基储锂材料，其特征在于，包括：/n第一组分，所述第一组分包括化合价在

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种硅基储锂材料，其特征在于，包括：
第一组分，所述第一组分包括化合价在价的Si，其中为化合价在1～4之间的硅元素的摩尔数，CSi(0)为化合价为0的硅元素的摩尔数；以及
第二组分，所述第二组分包括掺杂元素R，所述掺杂元素R至少包括I，II，III主族元素中的一种，其中CR为掺杂元素R的摩尔数，为化合价在0～4之间的硅元素的摩尔数。


2.如权利要求1所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述I，II，III主族元素包括Li，Na，Mg，Ca或者Al。


3.如权利要求1所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述材料表面还包括碳包覆层。


4.如权利要求3所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述碳包覆层的质量百分比含量大于0小于10％。


5.如权利要求3所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述碳包覆层包括无定形碳包覆层或者石墨化碳包覆层中的至少一种。


6.如权利要求3所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述碳包覆层包括一层以上的无定形碳包覆层和一层以上的石墨化碳包覆层，所述一层以上的无定形碳包覆层和一层以上的石墨化碳包覆层交替排布。


7.如权利要求5或者6所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述的无定形碳包覆层中掺杂有氮原子，所述石墨化碳包覆层中掺杂有氮原子。


8.如权利要求1所述的硅基储锂材料，其特征在于，所述化合价在0～4价的Si和所述掺杂元素R均匀分布。


9.一种硅基储锂材料的制备方法，包括：
提供第一混合物，所述第一混合物至少包括硅的单质态以及硅的+4价氧化态，所述第一混合物中包括掺杂元素R，所述掺杂元素R至少包括I，II，III主族元素中的一种，且其中CR为掺杂元素R的摩尔数，为化合价在0～4之间的硅元素的摩尔数；以及
将所述第一混合物在非氧化性气体保护下，加热至熔融态后以5℃/S～30℃/S的降温速率降至室温。


10.根据权利要求9所述的硅基储锂材料的制备方法，其特征在于，所述I，II，III主族元素包括Li，Na，Mg，Ca或者Al。


11.根据权利要求9所述的硅基储锂材料的制备方法，其特征在于，所述加热至熔融态的温度为1500℃～3000℃。


12.根据权利要求9所述的硅基储锂材料的制备方法，其特征在于，将所述熔融态的第一混合物以5℃/S～30℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：马飞，吴玉虎，吴志红，丁晓阳，李凤凤，
申请(专利权)人：上海杉杉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31