掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料及其制备方法与应用，氧化亚硅材料的非晶氧化硅基体中掺杂有晶化石英相和纳米晶硅相，包括如下步骤：将氧化亚硅研磨后进行化学气相沉积，实现碳包覆；将所得粉末研磨后与碱金属氟化物混合研磨；将所得混合粉末进行热处理，研磨后即得。通过化学气相沉积获得碳包覆层；通过碱金属氟化物掺杂，加速其歧化反应，在低温短时热处理中内获得具有石英晶相、晶体硅相的歧化后氧化亚硅材料，稳定其结构，并提升其容量。其容量。其容量。

【技术实现步骤摘要】
掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，具体涉及一种掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]氧化亚硅相比于单质硅则具有较小的体积变化和较高的比容量，进而具有更高的循环稳定性。基于氧化亚硅的界面团簇混合模型结构，氧化亚硅锂化产物包括锂硅合金，硅酸锂和氧化锂；去锂化阶段，部分硅酸锂(和氧化锂)无法脱锂。在后期的反应中，电化学惰性成分维持稳定，活性Si则发生反复的脱嵌锂反应。由于以上固有的锂化特性，使得氧化亚硅首圈库伦效率较低，影响实际应用；嵌锂过程伴随的体积膨胀依然很大，限制其循环稳定性。
[0004]目前，研究者们已经从多个方面对其首圈库伦效率低的问题进行改性，如以多孔氧化亚硅为基底，孔道内灌注还原性材料，以及任选地表面覆盖的碳包覆层。该材料通过将氧化亚硅造孔，然后向孔道中灌注还原性材料，加热至400
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900℃经稳定化处理得到。由于该方案通过先造孔后改性再包碳的方法进行氧化亚硅的结构改性，造孔程序较为繁琐，且多孔结构的构建不易控制，同时灌注的还原性材料对电池循环的影响尚不可知，且质量占比不低，一定程度上减小了电池的能量密度。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术存在的缺点，本专利技术提供了一种掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料及其制备方法与应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料，其非晶氧化亚硅基体中掺杂有晶化石英相和纳米晶硅相。
[0008]第二方面，本专利技术提供所述掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]将氧化亚硅研磨后进行化学气相沉积，实现碳包覆；
[0010]将所得粉末研磨后与碱金属氟化物混合研磨；
[0011]将所得混合粉末进行热处理，研磨后即得。
[0012]第三方面，本专利技术提供所述掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料作为负极材料在制备电池中的应用。
[0013]上述本专利技术的一个或多个实施例取得的有益效果如下：
[0014]通过化学气相沉积获得碳包覆层；通过碱金属氟化物掺杂，加速其歧化反应，在低温短时热处理中内获得具有石英相、晶体硅相的歧化后氧化亚硅材料，稳定其结构，并提升其容量。
[0015]LiF掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料具有较均匀的碳包覆层，有利于电子转移；具有稳定的石英结晶相结构，提前固定了氧，有利于结构稳定以及首效提升；具备合适大小的硅纳米晶畴，有利于容量发挥。
[0016]LiF掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料的制备方法简单、所需热处理温度以及时间合适，成本较低，可实现工业生产。
附图说明
[0017]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0018]图1为不同含量LiF掺杂的复合材料的TEM照片，(a)SiO@C、(b)1wt％LiF
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SiO@C和(c)3wt％LiF
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SiO@C的TEM照片。
[0019]图2为SiO@C和不同含量LiF掺杂的LiF
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SiO@C的XRD图谱。
[0020]图3为SiO@C和不同含量LiF掺杂的LiF
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SiO@C材料的XPS Si2p图谱。
[0021]图4为SiO和SiO@C的热重分析图。
[0022]图5为LiF
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SiO@C(a)和SiO@C(b)材料的结构示意图。
[0023]图6为SiO和SiO@C的电化学阻抗谱。
[0024]图7为以SiO@C和LiF
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SiO@C为负极的纽扣半电池电化学性能:(a)长循环性能，(b)前200圈库伦效率分布占比。
[0025]图8为LiF
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SiO@C为负极的半电池原位XRD图谱。
具体实施方式
[0026]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0027]第一方面，本专利技术提供一种掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料，其非晶氧化硅基体中掺杂有晶化石英相和纳米晶硅相。
[0028]在一些实施例中，纳米晶硅相的空间群为Fd
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3m(227)。
[0029]在一些实施例中，纳米晶硅相的硅晶域的大小为2
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15nm，优选为2
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7nm。
[0030]在一些实施例中，晶化石英相的石英晶域为1
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90nm，优选为1
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10nm。
[0031]歧化后获得的石英晶体符合PDF
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#83
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0539Quartz标准卡片对应的衍射峰，以及相近的标准卡片(PDF
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#88
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2487，PDF
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#85
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0457，PDF
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#70
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3755，PDF
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#86
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1630，PDF
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#86
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1560，PDF
‑
#87
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2096等)其空间群为P3121(152)，P3221(154)。
[0032]纳米晶硅相：相似掺杂诱导方法歧化获得的硅晶相均在保护范围内，空间群为Fd
‑
3m(227)。
[0033]上述两种晶相均匀分布在非晶氧化亚硅基体中的特殊结构氧化亚硅材料，其中硅晶域的大小为2nm
‑
15nm，具体大小依赖于处理参数(LiF含量与热处理温度、时间)，其优化为不超过7nm；石英晶域的大小为几纳米至几十纳米，大小依赖于处理参数(LiF含量与热处理温度、时间)，优化为不超过10nm；两者协同在合适大小，才能保证材料的电化学性能。
[0034]第二方面，本专利技术提供所述掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料的制备方法，包括如下
步骤：
[0035]将氧化亚硅研磨后进行化学气相沉积，实现碳包覆；
[0036]将所得粉末研磨后与碱金属氟化物混合研磨；
[0037]将所得混合粉末进行热处理，洗涤、干燥后即得。
[0038]在一些实施例中，所述化学气相沉积是在氩气气氛中，高温条件下向反应体系通入碳源气体，进行碳包覆。
[0039]优选的，所述碳源为甲烷、乙烯或乙炔。
[0040]优选的，化学气相沉积的温度为900
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料，其特征在于：其非晶氧化亚硅基体中掺杂有晶化石英相和纳米晶硅相。2.根据权利要求1所述的掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料，其特征在于：纳米晶硅相的空间群为Fd
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3m(227)；优选的，纳米晶硅相的硅晶域的大小为2
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15nm，优选为2
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7nm；优选的，晶化石英相的石英晶域为1
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90nm，优选为1
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10nm。3.一种掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将氧化亚硅研磨后进行化学气相沉积，实现碳包覆；将所得粉末研磨后与碱金属氟化物混合研磨；将所得混合粉末进行热处理，洗涤、干燥后即得。4.根据权利要求3所述的掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料的制备方法，其特征在于：所述化学气相沉积是在氩气气氛中，高温条件下向反应体系通入碳源气体，进行碳包覆；优选的，所述碳源为甲烷、乙烯或乙炔。5.根据权利要求4所述的掺杂诱导歧化的氧化亚硅材料的制备方法，其特征在于：化学气相沉积的温度为900
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1100℃，优选为1000℃。6.根据权利要求4所述的掺杂诱导歧化的碳包覆氧化亚硅材料的制备方法，其特征在于：碳包覆的保...

【专利技术属性】
技术研发人员：慈立杰，李静，孙卿，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：