一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料及其制备和应用，所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料的尺寸为微米级或纳米级，其由内核以及包覆内核的外壳组成，所述内核为硼掺杂的多孔硅，外壳为碳层；所述硼掺杂的多孔硅是由单质硅

【技术实现步骤摘要】
一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料及其制备和应用领域，特别涉及一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料及其制备方法和作为锂离子电池负极活性材料的应用
。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有循环寿命长
、
能量密度高
、
无记忆效应等优点，早在
20
世纪，随着电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求
。
硅
(Si)
具有高达
4200mAh g
‑1的理论比容量，被认为是下一代最具有潜力的负极材料之一
。
然而硅材料在循环过程中具有较大的体积变化
(
～
300
％
)
，会导致电极材料的粉化，从而失去电接触，容量迅速下降
。
此外，硅材料的导电性较差
、
锂离子传输较慢，会导致循环过程中的循环效率较低，并且在大电流密度下充放电性能较差
。
研究者们提出了许多解决方案，主要通过纳米化
、
多孔结构设计
、
硅碳复合材料
、
复合结构设计等方法对硅负极进行改性
。
[0003]Lv
等人
(Lv G,Zhu B,Li X,et al.Simultaneous Perforation and Doping of Si Nanoparticles for Lithium
‑
Ion Battery Anode[J].ACS Applied Materials&Interfaces,2017:acsami.7b12898.)
通过普通的冶金硅和五氧化二磷一起球磨，得到磷掺杂的硅纳米颗粒和磷掺杂的二氧化硅颗粒，再通过
HF
除去二氧化硅，得到磷掺杂的多孔硅，作为高性能锂电池负极，在
0.5C
下循环
100
次，循环性能稳定为
2000mAh g
‑1；在
5C
下，循环性能稳定为
1600mAh g
‑1；在
1C
电流密度下，碳包覆后循环
940
次，循环性能稳定在
1500mAh g
‑1以上，具有制备方法简单
、
较好的循环性能和倍率性能
、
掺杂可控和较高的导电率等优点
。
[0004]可见，掺杂能够显著提升硅材料的导电性能，引起了研究人员的大量关注
。
此外，多孔结构设计能够有效的缓解硅的体积膨胀问题，提升电池的循环性能，作为硅材料的重要改性方法之一
。
但目前硅材料的掺杂和多孔结构设计都存在成本较高
、
方法复杂
、
孔隙率较低等问题，因此，制备成本低廉的高导电性多孔硅需要提出合理的解决方案
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述硅基负极的导电率低
、
制备方法复杂
、
成本高
、
使用寿命差等问题，本专利技术提供了一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用，本专利技术的第一目的在于，提供一种全新形貌结构的硼掺杂的多孔硅碳复合材料，旨在提升锂离子电池的循环寿命
、
倍率性能
、
导电性
。
[0006]本专利技术的第二目的在于，提供一种所述结构的硅碳复合材料的制备方法
。
[0007]本专利技术的第三目的在于，提供一种所述结构的硅碳复合材料作为锂离子电池负极活性材料的应用
。
[0008]本专利技术的第四目的在于，提供一种包含所述结构的硅碳复合材料的锂离子电池
。
[0009]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料，所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料的尺寸为微米级或纳米级，其由内核以及包覆内核的外壳组成，所述内核为硼
掺杂的多孔硅，外壳为碳层；所述硼掺杂的多孔硅是由单质硅
、
无定型硅硼化合物
(Si
x
B
y
)、
无定型硅硼氧化合物
(SiOB)、
氧化硅
(SiO
x
)
以及单质硼组成的多孔结构，其内部具有孔隙，外层具有孔径＜
5nm
的孔洞；所述单质硅位于硼掺杂的多孔硅的内部，所述无定型硅硼化合物
(Si
x
B
y
)
和硅硼氧化合物
(SiOB)
位于硼掺杂的多孔硅的外层；
[0011]所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：
[0012]硅：
15
～
99
％，硼：
0.1
～
55
％，氧：
0.1
～
40
％，碳：
0.1
～
50
％，所有元素的重量百分比之和为
100
％
。
[0013]作为优选，所述硼掺杂的多孔硅的比表面积为2‑
400m2·
g
‑1(BET)
，孔体积为
0.05
‑
1.5cm3·
g
‑1。
[0014]作为优选，所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料的平均尺寸为
20
‑
100nm。
[0015]作为优选，所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：
[0016]硅：
15
～
75
％，硼：1～
55
％，氧：4～
30
％，碳：
10
～
40
％，所有元素的重量百分比之和为
100
％
。
[0017]作为进一步的优选，所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：
[0018]硅：
35
～
70
％，硼：
11
～
35
％，氧：
10
～
20
％，碳：
15
～
35
％，所有元素的重量百分比之和为
100
％
。
[0019]本专利技术所述的硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，硼掺杂的多孔硅的内部孔隙可以为硅在循环过程中的体积膨胀提供缓冲空间，提高电池的循环寿命；多孔硅外层的无定型的硼硅化合物和硅硼氧化合物可以增加材料的导电性，进而提升电池的倍率性能；并且外层具有微小孔洞，可以增加多孔硅的比表面积，缩短锂离子传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硼掺杂的多孔硅碳复合材料，其特征在于：所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料的尺寸为微米级或纳米级，其由内核以及包覆内核的外壳组成，所述内核为硼掺杂的多孔硅，外壳为碳层；所述硼掺杂的多孔硅是由单质硅
、
无定型硅硼化合物
、
无定型硅硼氧化合物
、
氧化硅以及单质硼组成的多孔结构，其内部具有孔隙，外层具有孔径＜
5nm
的孔洞；所述单质硅位于硼掺杂的多孔硅的内部，所述无定型硅硼化合物和硅硼氧化合物位于硼掺杂的多孔硅的外层；所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：硅：
15
～
99
％，硼：
0.1
～
55
％，氧：
0.1
～
40
％，碳：
0.1
～
50
％，所有元素的重量百分比之和为
100
％
。2.
如权利要求1所述的硼掺杂的多孔硅碳复合材料，其特征在于：所述硼掺杂的多孔硅的比表面积为2‑
400m2·
g
‑1，孔体积为
0.05
‑
1.5cm3·
g
‑1。3.
如权利要求1所述的硼掺杂的多孔硅碳复合材料，其特征在于：所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料的平均尺寸为
20
‑
100nm。4.
如权利要求1所述的硼掺杂的多孔硅碳复合材料，其特征在于：所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：硅：
15
～
75
％，硼：1～
55
％，氧：4～
30
％，碳：
10
～
40
％，所有元素的重量百分比之和为
100
％
。5.
如权利要求1所述的硼掺杂的多孔硅碳复合材料，其特征在于：所述硼掺杂的多孔硅碳复合材料中，各个元素的重量百分比为：硅：
35
～
70
％，硼：
11
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昊，文鸿，李峰辉，王琛，王连邦，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：