用于二次锂离子电池的多层次复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用于二次锂离子电池的多层次复合材料及制备方法和应用，多层次复合材料包括：碳基体、纳米硅基复合材料和碳壳；碳基体为用以沉积纳米硅基复合材料的基体材料；纳米硅基复合材料由硅烷与含C、N、B、P任一元素的气态化合物中的一种或多种通过气相沉积的方法制备而成；纳米硅基复合材料的颗粒尺寸大小为0.1

【技术实现步骤摘要】
用于二次锂离子电池的多层次复合材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种用于二次锂离子电池的多层次复合材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在过去的几十年中，商业化的锂离子电池具有长循环寿命，高能量密度以及对环境有益的优点，取得了巨大的成功。常规的可再充电锂离子电池主要由负电极(通常是碳质材料，例如石墨)，正电极(例如LiCoO2，LiMn2O2和LiFePO4)和电解质浸渍的隔膜组成，锂离子通过液体电解质在两个电极之间来回穿梭，电荷将通过外部电路传输。
[0003]然而，传统的石墨阳极材料理论比容量有限，仅为372mAh/g，已不能满足日益增长的高性能存储容量需求。随着便携式电子、电动汽车和可再生能源利用需求的日益增长，开发具有优良电化学性能的高容量负极材料已被证明是实现满足锂离子存储和提高整体能量密度的关键解决方案。
[0004]硅由于其自然丰度，环境友好性，低放电电位和高理论容量(4200mAh/g)而成为锂离子电池石墨负极的有前途的替代品。然而，由于硅的体积变化很大(300
‑
400％)，阻碍了硅基负极的实际应用。
[0005]研究发现，硅与碳材料结合可以有效改善硅负极的缺点。专利CN 108598389 B中将纳米硅与纳米石墨片在水中分散均匀，再加入有机碳溶液并进行喷雾干燥，将得到的粉末煅烧制得硅碳复合材料。该材料在一定程度上改善了硅导电性以及循环稳定性差的问题，然而该制备方法通过物理混合的方式与碳材料复合，难以保证硅与碳材料均匀分散，影响了其电化学性能。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例提供了一种用于二次锂离子电池的多层次复合材料及制备方法和应用。本专利技术的用于二次锂离子电池的多层次复合材料具有稳定的结构，相对于传统硅基材料，通过多层次结构及复合材料之间的相互作用，使得本材料具有体积膨胀小，循环性能和倍率性能更优的特点。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种用于二次锂离子电池的多层次复合材料，所述多层次复合材料包括：碳基体、纳米硅基复合材料和碳壳；
[0008]所述碳基体为用以沉积纳米硅基复合材料的基体材料；
[0009]所述纳米硅基复合材料由硅烷与含C、N、B、P任一元素的气态化合物中的一种或多种通过气相沉积的方法制备而成；所述纳米硅基复合材料的颗粒尺寸大小为0.1
‑
200nm；所述纳米硅基复合材料中碳原子以原子级呈均匀内嵌分布，碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键；氮原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
N键；；硼掺杂和/或磷掺杂使得所述纳米硅基复合材料中的硅晶体形成缺陷；
[0010]所述碳壳包覆在沉积有纳米硅基复合材料的碳基体外层。
[0011]优选的，所述碳壳通过气相包覆、液相包覆或固相包覆制备得到。
[0012]优选的，当所述多层次复合材料中包含C元素时，所述多层次复合材料的固体核磁共振的NMR谱图中显示，当硅的峰位于
‑
70ppm～
‑
130ppm时，在20ppm～
‑
20ppm之间存在Si
‑
C的共振峰；Si
‑
C的共振峰与硅峰的面积比为0.1～5.0。
[0013]优选的，所述多层次复合材料中，所述纳米硅基复合材料的质量占整体质量的20％
‑
80％；与硅进行复合的所述C、N、B、P任一元素的质量占所述纳米硅复合材料的质量的0.1％
‑
50％；
[0014]所述碳基体的质量占整体质量的20％
‑
70％；
[0015]所述碳壳的质量占整体质量的0
‑
10％。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的用于二次锂离子电池的多层次复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0017]向装载有碳基体的反应容器中通入保护气体，流速为1
‑
2L/min；所述保护气体为氮气，氩气，氢气或者以上的任意混合气体；
[0018]将硅烷和含C、N、B、P任一元素的气态化合物中的一种或多种通入反应容器，在所述碳基体上进行气相沉积；其中，硅烷的气体流速为0.5
‑
10L/min，所述气态化合物的气体流速为0.5
‑
10L/min，所述气相沉积的温度为500
‑
1500℃，沉积的时间为1
‑
20小时；
[0019]通过气相包覆、液相包覆、固相包覆中的至少一种方式，对所述气相沉积后的产物进行碳包覆，得到所述用于二次锂离子电池的多层次复合材料。
[0020]优选的，所述反应容器包括：间隙或连续反应设备，具体包括回转炉、管式炉、钟罩炉或流化床中的任一种。
[0021]优选的，所述硅烷包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、二甲基硅氧烷中的一种或多种。
[0022]优选的，含C元素的气态化合物包括：乙炔、甲烷、丙烯、乙烯、丙烷以及气态乙醇中的一种或多种；
[0023]含N元素的气态化合物包括：氮气、氨气、尿素、三聚氰胺以及肼中的一种或多种；
[0024]含B元素的气态化合物包括：乙硼烷、硼酸三甲酯、硼酸三丙酯以及三溴化硼中的一种或多种；
[0025]含P元素的气态化合物包括：磷化氢和/或三氯氧磷。
[0026]第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极材料，所述负极材料包括上述第一方面所述的用于二次锂离子电池的多层次复合材料。
[0027]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第一方面所述的用于二次锂离子电池的多层次复合材料。
[0028]本专利技术实施例提供的用于二次锂离子电池的多层次复合材料，通过碳基体、纳米硅基复合材料和碳壳的三层结构以及复合材料之间的相互作用，使得本材料具有体积膨胀小，循环性能和倍率性能更优的特点。特别是硅烷与含C、N、B、P任一元素的气态化合物中的一种或多种通过气相沉积的方法制备的纳米硅基复合材料：通过碳原子以原子级呈均匀内嵌分布，碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键，使得在脱嵌锂过程中材料结构更稳定，体积膨胀小，用于锂电池负极时，具有更好的循环性能；通过氮原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
N键，更有利于锂离子的嵌入和嵌出，提高锂离子电池的倍率性能；硼掺杂和/或磷
掺杂使得纳米硅基复合材料中的硅晶体形成缺陷，能够缓解充电过程中得体积膨胀，提高了电池的循环性能。
附图说明
[0029]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。
[0030]图1为本专利技术实施例提供的用于二次锂离子电池的多层次复合材料的结构示意图；
[0031]图2为本专利技术实施例提供的用于二次锂离子电池的多层次复合材料的制备方法的流程图；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二次锂离子电池的多层次复合材料，其特征在于，所述多层次复合材料包括：碳基体、纳米硅基复合材料和碳壳；所述碳基体为用以沉积纳米硅基复合材料的基体材料；所述纳米硅基复合材料由硅烷与含C、N、B、P任一元素的气态化合物中的一种或多种通过气相沉积的方法制备而成；所述纳米硅基复合材料的颗粒尺寸大小为0.1
‑
200nm；所述纳米硅基复合材料中碳原子以原子级呈均匀内嵌分布，碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键；氮原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
N键；硼掺杂和/或磷掺杂使得所述纳米硅基复合材料中的硅晶体形成缺陷；所述碳壳包覆在沉积有纳米硅基复合材料的碳基体外层。2.根据权利要求1所述的多层次复合材料，其特征在于，所述碳壳通过气相包覆、液相包覆或固相包覆制备得到。3.根据权利要求1所述的多层次复合材料，其特征在于，当所述多层次复合材料中包含C元素时，所述多层次复合材料的固体核磁共振的NMR谱图中显示，当硅的峰位于
‑
70ppm～
‑
130ppm时，在20ppm～
‑
20ppm之间存在Si
‑
C的共振峰；Si
‑
C的共振峰与硅峰的面积比为0.1～5.0。4.根据权利要求1所述的多层次复合材料，其特征在于，所述多层次复合材料中，所述纳米硅基复合材料的质量占整体质量的20％
‑
80％；与硅进行复合的所述C、N、B、P任一元素的质量占所述纳米硅复合材料的质量的0.1％
‑
50％；所述碳基体的质量占整体质量的20％
‑
70％；所述碳壳的质量占整体质量的0
‑
10％。5.一种上述权利要求1
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：邵金，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：