一种硅碳负极材料制造技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极材料及其制备方法与应用

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料、负极极片及二次电池


[0001]本专利技术涉及电池
，具体涉及一种硅碳负极材料
、
负极极片及二次电池
。

技术介绍

[0002]锂离子电池
(LIB)
因其在能量密度
、
功率密度和循环寿命等方面的优势，已成为主要的化学电源
。
在负极材料方面，硅负极材料被认为是下一代锂离子电池负极的最具潜力的替代材料
。
其具有传统石墨负极材料近
10
倍的理论比容量
(4200mAh/g)
；同时硅元素原料来源很广泛，非常适合大规模的生产和应用
。
[0003]沉积型硅碳负极材料是一种极具发展前景的锂离子电池硅负极材料，纳米尺度的硅团簇沉积分散在碳材料中，可提供较高的可逆容量
(
＞
1500mAh/g)
，且在首次循环过程中，硅基体部分会原位形成锂硅并被碳材料的多孔碳结构包围，起到缓冲体积膨胀和隔绝纳米硅团簇与电解液的直接接触的双重作用，降低了锂化时的体积膨胀和电解液消耗过大的负面作用，提高了电池使用寿命，因此沉积型硅碳负极材料在电化学性能上优势明显，更符合硅基材料商业化方向
。
但到目前为止，导电性能较差，它的仍然受到在放电下更高
DCR
，放电性能较差的困扰
。
[0004]因此，仍然需要探索有效的方法来同时实现沉积型硅碳负极材料的放电下较低
DCR
和放电倍率性能改善这两个目标
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种硅碳负极材料
、
负极极片及二次电池，使包含该硅碳负极材料的二次电池表现出较低的放电
DCR
，较高的放电倍率性能
。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术第一方面提供了一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料为核壳结构，由内至外依次为，硬碳内核
、
软碳包覆层
、
碳沉积层，所述硬碳内核中掺杂有金属元素，且硬碳内核的孔隙中嵌有硅颗粒，所述软碳包覆层中掺杂有氮
/
磷元素
。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述硬碳内核的粒径为
0.1
～
60
μ
m
，软碳包覆层的厚度为
0.002
～
1.5
μ
m
，碳沉积层的厚度为
0.002
～
0.4
μ
m。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述硅碳负极材料内部分布多个孔隙，所述孔隙的直径为
0.4
～
300nm。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述硅碳负极材料中直径为0～
2nm
的孔隙占比记为
PD2
，直径0～
10nm
的孔隙占比记为
PD1
，且
PD2/PD1
＝
50
～
98
％
。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述硅碳负极材料中碳含量为
15
～
65
％
、
硅含量为
15
～
65
％，且碳含量与硅含量的总和为
80
～
99
％，氧含量在
0.1
～8％
。
[0012]本专利技术第二方面提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]将第一碳源与金属单质或金属化合物混合均匀，一次加热碳化得到掺杂金属元素的低碳化颗粒；
[0014]对所述掺杂金属元素的低碳化颗粒进行表面活化处理，将表面活化处理后的所述低碳化颗粒置于反应装置，通入含硅气体，加热使硅颗粒沉积在所述掺杂金属元素的低碳化颗粒的孔隙中，得到硅碳基体；
[0015]将硅碳基体
、
含氮
/
磷化合物与第二碳源混合均匀，二次加热碳化在所述硅碳基体表面形成含氮
/
磷的软碳包覆层，球磨筛分得到硅碳主体材料；
[0016]将硅碳主体材料置于一定温度下的反应装置，通入含碳气体，在所述硅碳主体材料表面形成碳沉积层，即得到所述硅碳负极材料
。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述第一碳源选自聚乙烯醇
、
酚醛树脂
、
环氧树脂
、
聚氧乙烯
、
糠醛树脂
、
脲醛树脂的一种或几种
。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述第一碳源为熔融状态
。
[0019]在本专利技术的一个实施例中，所述金属单质或金属化合物选自丁基锂
、
苯基锂
、
硅酸锂
、
草酸锂
、
碳酸锂
、
金属锂
、
硅酸镁
、
硅酸锂
、
硅酸铝
、
铝酸锂
、
金属镁
、
金属铝
、
氢氧化镁
、
氢氧化铝
、
碳酸铝
、
钛酸铝
、
钛酸镁
、
氧化镁
、
氧化铝
、
氧化钛
、
氯化镁
、
氯化铝
、
氯化钛
、
硫酸镁
、
硝酸镁
、
硫酸铝
、
硝酸铝
、
硫酸钛
、
硼酸锂
、
硼酸钠
、
硼酸镁
、
硼酸铝
、
锡粉
、
草酸锡
、
碳酸锡
、
硫酸亚锡
、
氯化亚锡
、
二丁基锡
、
二甲基锡的一种或几种
。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，所述一次加热碳化的温度为
400
～
900℃
，时间为1～
6h。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，对所述掺杂金属元素的低碳化颗粒进行表面活化处理的步骤，具体为：将低碳化颗粒
、
活化剂与溶剂按照1：
(0.05
～
0.4)
：
(5
～
20)
的质量比混合均匀，得到混合溶液，滴加氨水调节所述混合溶液
pH
值至9～
12.5
，在
40
～
80℃
下处理1～
10h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料为核壳结构，由内至外依次为，硬碳内核
、
软碳包覆层
、
碳沉积层，所述硬碳内核中掺杂有金属元素，且硬碳内核的孔隙中嵌有硅颗粒，所述软碳包覆层中掺杂有氮
/
磷元素
。2.
根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硬碳内核的粒径为
0.1
～
60
μ
m
，软碳包覆层的厚度为
0.002
～
1.5
μ
m
，碳沉积层的厚度为
0.002
～
0.4
μ
m。3.
根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料内部分布多个孔隙，所述孔隙的直径为
0.4
～
300nm。4.
根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料中直径为0～
2nm
的孔隙占比记为
PD2
，直径0～
10nm
的孔隙占比记为
PD1
，且
PD2/PD1
＝
50
～
98
％
。5.
根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料中碳含量为
15
～
65
％
、
硅含量为
15
～
65
％，且碳含量与硅含量的总和为
80
～
99
％，氧含量在
0.1
～8％
。6.
一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将第一碳源与金属单质或金属化合物混合均匀，一次加热碳化得到掺杂金属元素的低碳化颗粒；对所述掺杂金属元素的低碳化颗粒进行表面活化处理，将表面活化处理后的所述低碳化颗粒置于反应装置，通入含硅气体，加热使硅颗粒沉积在所述掺杂金属元素的低碳化颗粒的孔隙中，得到硅碳基体；将硅碳基体
、
含氮
/
磷化合物与第二碳源混合均匀，二次加热碳化在所述硅碳基体表面形成含氮
/
磷的软碳包覆层，球磨筛分得到硅碳主体材料；将硅碳主体材料置于一定温度下的反应装置，通入含碳气体，在所述硅碳主体材料表面形成碳沉积层，即得到所述硅碳负极材料
。7.
根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一碳源选自聚乙烯醇
、
酚醛树脂
、
环氧树脂
、
聚氧乙烯
、
糠醛树脂
、
脲醛树脂的一种或几种，和
/
或，所述第一碳源为熔融状态
。8.
根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述金属单质或金属化合物选自丁基锂
、
苯基锂
、
硅酸锂
、
草酸锂
、
碳酸锂
、
金属锂
、
硅酸镁
、
硅酸锂
、
硅酸铝
、
铝酸锂
、
金属镁
、
金属铝
、
氢氧化镁
、
氢氧化铝
、
碳酸铝
、
钛酸铝
、
钛酸镁
、
氧化镁
、
氧化铝
、
氧化钛
、
氯化镁
、
氯化铝
、
氯化钛
、
硫酸镁
、
硝酸镁
、
硫酸铝
、
硝酸铝
、
硫酸钛
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娇，钟应声，张浩，韩定宏，江柯成，
申请(专利权)人：江苏正力新能电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：