硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池，硅基复合材料包括以下质量百分比的组分：60％～90％氮掺杂的硅基材料和8％～30％氮掺杂的碳包覆层；氮掺杂的碳包覆层包覆在氮掺杂的硅基材料表面。通过氮掺杂的硅颗粒和氮掺杂的碳包覆层之间的协同作用，不仅提高了硅基材料的电子导电率，提升其倍率性能，还有效缓冲硅基材料在脱嵌锂过程中由于体积膨胀产生的应力，提升材料循环稳定性。提升材料循环稳定性。提升材料循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，更具体地，涉及一种硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池。

技术介绍

[0002]近些年来，锂离子电池相对于传统的铅酸电池、铁电池、镍氢电池等二次电池有着高能量密度、高输出电压、低自放电、记忆效应小和环境友好等优点，得到了广泛的应用与研究。
[0003]目前，锂离子电池负极材料一般为石墨。然而，石墨的理论比容量仅为372mAh/g，导致锂离子电池作为动力电池在交通和储能等领域的实际应用受到制约。硅、硅基合金及硅氧化物等具有较高的理论比容量和较好的安全性，是锂离子电池负极材料的理想替代材料。
[0004]但是，硅基负极材料在脱嵌锂过程中，硅会产生严重的体积变化(>400％)，进而导致材料粉化，与集流体和导电剂失去电接触，致使容量迅速衰减，且硅材料的导电性能差，导致其应用的锂电池负极的库伦效率低和循环性能差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种能够提高硅基材料的导电性，同时有效缓冲其在脱嵌锂过程中的体积变化的硅基复合材料及其制备方法、锂离子电池。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种硅基复合材料，包括以下质量百分比的组分：
[0008]60％～90％氮掺杂的硅基材料和8％～30％氮掺杂的碳包覆层；
[0009]所述氮掺杂的碳包覆层包覆在所述氮掺杂的硅基材料表面。
[0010]本专利技术还提供了一种硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将硅基材料在保护气氛下第一次升温后通入第一氮源进行氮掺杂，得到氮掺杂的硅基材料；
[0012]将所述氮掺杂的硅基材料在保护气氛下第二次升温后通入第二氮源和碳源进行沉积氮掺杂的碳包覆层，得到所述硅基复合材料。
[0013]本专利技术还提供了一种锂离子电池，包括负极，所述负极包括如上述的硅基复合材料，或如上述的制备方法得到的硅基复合材料。
[0014]实施本专利技术实施例，将具有如下有益效果：
[0015]本专利技术实施例对硅基材料进行氮元素掺杂，并在氮掺杂的硅基材料表面包覆氮元素掺杂的碳包覆层从而得到硅基复合材料。由于硅基材料和碳包覆层都均匀分散着氮元素，因此改善了硅基材料的电子导电率，从而有效降低电池负极内部的接触电阻，提升其倍率性能；并且利用氮元素和碳元素之间的协同支撑作用，有效缓冲硅基材料在脱嵌锂过程
中由于体积膨胀产生的应力，提升材料循环稳定性。通过将本专利技术实施例的硅基复合材料用于制备锂离子电池用负极极片时，显著提高了该负极极片的循环稳定性及倍率性能。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]其中：
[0018]图1是实施例1制备的硅基复合材料在1.0A/g电流密度的充放电循环性能图。
具体实施方式
[0019]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]本专利技术公开了一种硅基复合材料，包括以下质量百分比的组分：60％～90％氮掺杂的硅基材料和8％～30％氮掺杂的碳包覆层；氮掺杂的碳包覆层包覆在氮掺杂的硅基材料表面。
[0021]具体的，硅基复合材料包括氮掺杂的硅基材料，以及包覆在氮掺杂的硅基材料表面上的氮掺杂的碳包覆层。通过硅基材料和碳包覆层都均匀分散着氮元素，因此改善了硅基材料的电子导电率，从而有效降低电池负极内部的接触电阻，提升其倍率性能。并且利用氮元素和碳元素之间的协同支撑作用，有效缓冲硅基材料在脱嵌锂过程中由于体积膨胀产生的应力，提升材料循环稳定性。
[0022]具体的，通过掺杂氮元素，改善了硅基材料的电子导电率，但氮掺杂量过少会对硅基材料的导电率提升效果不明显，氮掺杂量过多会影响硅基材料的克容量。
[0023]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料中的氮元素占氮掺杂的硅基材料的的质量分数为0.02％～6％。
[0024]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料中的氮元素占氮掺杂的硅基材料的的质量分数包括但不限于0.02％、0.5％、1.8％、3.6％、4.2％、5.8％、6％等。
[0025]在一具体实施例中，氮掺杂的碳包覆层中的氮元素占氮掺杂的碳包覆层的的质量分数为0.05％～8％。
[0026]在一具体实施例中，氮掺杂的碳包覆层中的氮元素占氮掺杂的碳包覆层的的质量分数包括但不限于0.05％、1.6％、2.8％、4.9％、6.3％、7.8％、8％等。
[0027]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料包括氮掺杂单质硅和/或氮掺杂硅氧化物。
[0028]在一具体实施例中，硅氧化物包括硅氧化物SiOx，其中0.8≤x≤1.5。
[0029]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料的形态包括微米颗粒、微米棒、纳米颗粒和纳米棒中的一种或两种以上。
[0030]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料的中值粒径为0.5μm～18μm。
[0031]在一具体实施例中，氮掺杂的硅基材料的中值粒径包括但不限于0.5μm、1μm、5μm、10μm、15μm、18μm等。
[0032]在一具体实施例中，氮掺杂的碳包覆层的厚度为200nm～500nm。
[0033]在一具体实施例中，氮掺杂的碳包覆层的厚度包括但不限于200nm、250nm、300nm、400nm、500nm等。
[0034]具体的，通过碳包覆层可以有效缓冲硅基材料在脱嵌锂过程中由于体积膨胀产生的应力，提升硅基复合材料循环稳定性。但碳包覆层过薄会在循环过程中易发生破裂，使硅基材料表面直接和电解液接触，而碳包覆层过厚会导致锂离子扩散电阻增加而影响硅基复合材料的倍率性能。
[0035]本专利技术还提供了一种硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0036]1)将硅基材料在保护气氛下第一次升温后通入第一氮源进行氮掺杂，得到氮掺杂的硅基材料。
[0037]在一具体实施例中，在反应炉中装入硅基材料，向炉内通入保护气氛避免硅基材料被氧化，调节反应炉转速使得硅基材料均匀分散，并在第一次升温后通入第一氮源，含氮分子受热活化逐渐渗入硅基材料，得到氮掺杂的硅基材料。
[0038]在一具体实施例中，第一次升温速率的1℃/min～10℃/min。
[0039]在一具体实施例中，氮掺杂的温度为500℃～1100℃。
[0040]在一具体实施例中，氮掺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基复合材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：60％～90％氮掺杂的硅基材料和8％～30％氮掺杂的碳包覆层；所述氮掺杂的碳包覆层包覆在所述氮掺杂的硅基材料表面。2.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述氮掺杂的硅基材料中的氮元素占所述氮掺杂的硅基材料的质量分数为0.02％～6％；所述氮掺杂的碳包覆层中的氮元素占所述氮掺杂的碳包覆层的质量分数为0.05％～8％。3.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述氮掺杂的硅基材料包括氮掺杂单质硅和/或氮掺杂硅氧化物。4.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述氮掺杂的硅基材料的形态包括微米颗粒、微米棒、纳米颗粒和纳米棒中的一种或两种以上。5.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述氮掺杂的硅基材料的中值粒径为0.5μm～18μm；所述氮掺杂的碳包覆层的厚度为200nm～500nm。6.一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硅基材料在保护气氛下第一次升温后通入第一氮源进行氮掺杂，得到氮掺杂的硅基材料；将所述氮掺杂的硅基材料在保护气氛下第二次升温后通入第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱岩，秦曦，周敏，李腾飞，卫郝，林森，董一航，
申请(专利权)人：陕西埃普诺新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：