磷掺杂硅基锂离子电池负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种磷掺杂硅基锂离子电池负极材料及其制备方法和应用，磷掺杂硅基负极材料为粉体材料,粉末电导为3.0S/cm-6.0S/cm；磷掺杂硅基负极材料包括：90wt％-99.49wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-3wt％的掺杂在硅基粉体材料中的含磷掺杂材料和0.5wt％-7wt％的软碳材料；硅基粉体材料具体为含有电化学活性粉体材料，包括纳米硅碳复合材料、氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅、无定型硅合金中的一种或者几种；含磷掺杂材料包括磷酸二氢钠、磷酸三钾、五氧化二磷、焦磷酸钠，焦磷酸钾，偏磷酸钠中的一种或多种；软碳材料包覆在硅基粉体材料外表面,构成所述磷掺杂硅基负极材料的包覆碳层。碳层。碳层。

【技术实现步骤摘要】
磷掺杂硅基锂离子电池负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种磷掺杂硅基锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在锂离子负极材料中，硅是目前具有极大潜力的负极材料之一。相比于传统的石墨负极(372mAh/g)，硅负极具有更高的理论比容量(4200mAh/g)。目前虽然硅基负极材料可以实现令人满意的能量密度，但同时也存在材料的技术瓶颈。硅基负极材料本身具有的体积膨胀效应，导电性差等一系列缺点，限制了其实际应用。而硅基负极材料的电导率和锂离子电池材料的倍率性能息息相关。就现状而言，高倍率锂离子电池材料能够极大地增加汽车的续航能力，同时高倍率性能能够使汽车拥有更快的充电速率以及更快的加速性能，使得消费者有更舒适的驾驶体验。但是，硅基材料本身较差的电子电导率影响了电池的充放电速率。
[0003]科研工作者们针对硅基负极材料的缺陷进行了一系列的改善措施。哈尔滨工业大学的Wang Dianlong教授课题组(Journal of Materials Chemistry A,2014,2,3521-3527)制备了碳及石墨烯复合的氧化亚硅颗粒，利用石墨烯优异的电子电导改善了氧化亚硅复合材料的电化学性能。但经过电化学测试发现，当提高电流密度后，锂离子电池的容量衰减很快。主要原因是因为离子电导限制了氧化亚硅倍率性能的提升。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种磷掺杂硅基负极材料及其制备方法和应用，掺入的少量磷原子取代部分硅原子，磷原子的外层电子中会有4个与硅形成共价键，这就出现了一个自由移动的电子，自由电子浓度较高，增加了硅基材料的电导率；还有一部分磷原子会进入碳层，和软碳材料进行相互作用，达到进一步改善粉末电导的效果；在获得高粉末电导的同时，还依靠碳层限制了材料的体积膨胀效应，使得硅基材料能够充分发挥其高容量的优点。本专利技术提供的磷掺杂硅基负极材料具有更稳定的结构，磷原子和硅不容易发生副反应，有利于降低不可逆容量，提高循环效率。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种磷掺杂硅基负极材料，所述磷掺杂硅基负极材料为粉体材料,粉末电导为3.0S/cm-6.0S/cm；磷掺杂硅基负极材料包括：90wt％-99.49wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-3wt％的掺杂在硅基粉体材料中的含磷掺杂材料和0.5wt％-7wt％的软碳材料；
[0006]所述硅基粉体材料具体为含有电化学活性粉体材料，包括纳米硅碳复合材料、氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅、无定型硅合金中的一种或者几种；
[0007]所述含磷掺杂材料包括磷酸二氢钠、磷酸三钾、五氧化二磷、焦磷酸钠，焦磷酸钾，偏磷酸钠中的一种或多种；
[0008]所述软碳材料包覆在硅基粉体材料外表面,构成所述磷掺杂硅基负极材料的包覆
碳层。
[0009]优选的，所述磷掺杂硅基负极材料包括：92wt％-98wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-2wt％的含磷掺杂材料和1wt％-6wt％的软碳材料。
[0010]优选的，所述磷掺杂硅基负极材料中，形成在硅基粉体材料外表包覆软碳材料的包覆过程反应温度不高于1000℃。
[0011]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的磷掺杂硅基负极材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0012]将含磷掺杂材料和硅基粉体材料以所需比例混合,并制备得到初产物；所述硅基粉体材料具体为含有电化学活性粉体材料，包括纳米硅碳复合材料、氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅、无定型硅合金中的一种或者几种；所述含磷掺杂材料包括磷酸二氢钠、磷酸三钾、五氧化二磷、焦磷酸钠，焦磷酸钾，偏磷酸钠中的一种或多种；
[0013]将所述初产物置于高温回转炉内,在保护气氩气氛围下升温至800℃-1000℃通入有机气源进行化学气相沉积，保温2-4小时,关闭有机气源降温后即得磷掺杂硅基负极材料。
[0014]优选的，所述制备得到初产物的方法具体包括：喷雾干燥法、机械混合法、机械球磨法、化学气相沉积法中的任一种。
[0015]优选的，所述有机气源包括：甲烷，乙炔，丙烯，丙烷中的一种或多种。
[0016]第三方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池的负极极片，包括上述第一方面所述的磷掺杂硅基负极材料。
[0017]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，包括上述第三方面所述的负极极片。
[0018]优选的，所述锂电池包括：锂离子电池、锂离子超级电容器、锂硫电池、全固态锂电池中的任一种。
[0019]优选的，所述锂电池用于车用动力电池。
[0020]本专利技术实施例提供了一种磷掺杂硅基负极材料及其制备方法和应用，掺入的少量磷原子取代部分硅原子，磷原子的外层电子中会有4个与硅形成共价键，这就出现了一个自由移动的电子，自由电子浓度较高，增加了硅基材料的电导率；还有一部分磷原子会进入碳层，和软碳材料进行相互作用，达到进一步改善粉末电导的效果；在获得高粉末电导的同时，还依靠碳层限制了材料的体积膨胀效应，使得硅基材料能够充分发挥其高容量的优点。本专利技术提供的磷掺杂硅基负极材料具有更稳定的结构，磷原子和硅不容易发生副反应有利于降低不可逆容量，提高循环效率。
附图说明
[0021]下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。
[0022]图1为本专利技术实施例1-5提供的磷掺杂硅基负极材料的粉末电导图；
[0023]图2为本专利技术实施例1和对比例1-4提供的磷掺杂硅基负极材料的粉末电导的对比图；
[0024]图3为本专利技术实施例1提供的磷掺杂硅基负极材料的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0025]图4为本专利技术实施例1提供的磷掺杂硅基负极材料的SEM图；
[0026]图5为本专利技术实施例1提供的磷掺杂硅基负极材料的X射线衍射(XRD)图；
[0027]图6为本专利技术实施例2提供的磷掺杂硅基负极材料的XRD图；
[0028]图7为本专利技术实施例3提供的磷掺杂硅基负极材料的XRD图；
[0029]图8为本专利技术对比例1提供的磷掺杂硅基负极材料的XRD图；
[0030]图9为本专利技术提供的实施例1磷掺杂硅基负极材料和对比例4氮掺杂硅基负极材料的扣式半电池循环性能对比图；
[0031]图10为本专利技术提供的实施例1磷掺杂硅基负极材料和对比例5硼掺杂硅基负极材料的扣式半电池循环性能对比图。
具体实施方式
[0032]下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不意于限制本专利技术的保护范围。
[0033]本专利技术的磷掺杂硅基负极材料为粉体材料,粉末电导为3.0S/cm-6.0S/cm；磷掺杂硅基负极材料包括：90wt％-99.49wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-3wt％的掺杂在硅基粉体材料中的含磷掺杂材料和0.5wt％-7wt％的软碳材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷掺杂硅基负极材料，其特征在于，所述磷掺杂硅基负极材料为粉体材料,粉末电导为3.0S/cm-6.0S/cm；磷掺杂硅基负极材料包括：90wt％-99.49wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-3wt％的掺杂在硅基粉体材料中的含磷掺杂材料和0.5wt％-7wt％的软碳材料；所述硅基粉体材料具体为含有电化学活性粉体材料，包括纳米硅碳复合材料、氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅、无定型硅合金中的一种或者几种；所述含磷掺杂材料包括磷酸二氢钠、磷酸三钾、五氧化二磷、焦磷酸钠，焦磷酸钾，偏磷酸钠中的一种或多种；所述软碳材料包覆在硅基粉体材料外表面,构成所述磷掺杂硅基负极材料的包覆碳层。2.根据权利要求1所述的磷掺杂硅基负极材料，其特征在于，所述磷掺杂硅基负极材料包括：92wt％-98wt％的硅基粉体材料、0.01wt％-2wt％的含磷掺杂材料和1wt％-6wt％的软碳材料。3.根据权利要求1所述的磷掺杂硅基负极材料，其特征在于，所述磷掺杂硅基负极材料中，形成在硅基粉体材料外表包覆软碳材料的包覆过程反应温度不高于1000℃。4.一种上述权利要求1-3任一所述磷掺杂硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括:将含磷掺杂材料和硅基粉体材料以所需...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘明军，刘柏男，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：