【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池电极材料，具体涉及一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、锂离子电池作为一种重要的可充电电池，广泛应用于各种便携设备和电动汽车等领域。其中，负极材料是锂离子电池关键组成部分之一，对电池性能有着重要影响。目前，石墨是最常用的锂离子电池负极材料。然而，由于其比容量有限和活性位点少，无法满足日益增长的电池容量需求。因此，开发新的负极材料成为锂离子电池领域的研究热点之一。硅碳复合材料作为一种潜在的负极材料备受关注，因为它具有高比容量和良好的循环稳定性。然而，硅碳负极材料在长时间循环充放电过程中存在容量衰减和结构破坏的问题。
2、近年来，研究人员开始关注引入非晶元素掺杂来改善硅碳负极材料的性能。非晶材料由于具有无序的结构特点，可以提供更多的活性位点，从而实现更高的比容量。此外，非晶元素掺杂可以改变材料的晶体结构并增加其电子传导性能，从而提高材料的循环稳定性和储锂能力。虽然非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料在提高电池性能方面表现出巨大的潜力，但目前仍存在一些问题需要解决。
3、首先，非晶元素的选择和掺杂浓度对材料性能的影响需要进一步研究。不同的非晶元素对材料性能的改善效果可能有所不同，因此需要系统地研究不同非晶元素的掺杂效果以寻求最佳的改良策略。其次，当前的制备方法主要是通过溶胶-凝胶法、气相沉积法等，这种方法通常需要使用昂贵的前驱体和复杂的合成步骤，造成了较高的成本并且不利于大规模生产。
4、申请号为202010672502.4的专利技术,公
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法和应用，通过将非晶元素超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液并注入双层套筒的外层，以及将硅粒子超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液并注入双层套筒的内层，从双层套筒喷出时经过高压气流，最后通过干燥和高温煅烧得到具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌的复合材料，其中非晶元素在碳材料中均匀分散，该结构不仅将提高了复合材料离子和电子传输速率，而且非晶元素分散在硅外层，与硅不直接接触，这种梯度式的保护层有利于降低硅锂合金体积变化对电极材料结构的破坏，此外，该复合材料的制备方法具有制备简单易操作、成本低的特点。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，包括由si和掺杂非晶元素的碳材料构成具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌的复合材料。
4、所述的复合材料中，非晶元素均匀地分散在一维碳纤维中。
5、所述的非晶元素与碳元素的质量比为1:8～30。
6、一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
7、步骤1：将非晶元素超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液中，搅拌3～4小时后得到溶液a；其中，聚乙烯醇和乙二醇的体积比为1～3:10，超声分散后，溶液a中非晶元素浓度为0.095～0.3mol/l；
8、步骤2：将纳米硅粒子超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液中，搅拌3～4小时后得到溶液b，其中，聚乙烯醇和乙二醇的体积比为1～3:10，超声分散后，溶液b中硅浓度为0.74～1.49mol/l；
9、步骤3：将步骤1得到的溶液a和步骤2得到的溶液b分别注入圆柱状双层套筒中，其中溶液a注入外层，溶液b注入内层，双层套筒出口处设置空气压缩机出风口，气流压强设置为30～50kp，双层套筒出口处推注溶液a和溶液b的速度为0.05～0.07ml/min，将溶液a和溶液b喷出后，得到非晶元素掺杂硅碳负极材料前驱体；
10、步骤4：将步骤3得到的非晶元素掺杂硅碳负极材料前驱体先在160～180℃的环境中烘干3～4小时，再在500～700℃氩气下煅烧3～4小时，得到非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料。
11、所述的非晶元素具体包括p元素或ge元素或b元素。
12、一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的应用，所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料用于锂离子电池负极材料。
13、一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法及制备得到的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的应用，所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法用于制备锂离子电池负极材料，制备得到的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料用于锂离子电池负极材料。
14、相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
15、1.本专利技术提供的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌，这种结构使离子和电子传输较快，电极材料结构比较稳定等的特点。此外，掺杂元素只与碳材料结合，与硅粒子不直接接触，避免硅负极失活，同时对硅负极形成了有效的保护层，有利于该类材料的循环结构稳定性。
16、2.本专利技术提供的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，通过调节掺杂元素的种类及浓度，将非晶元素超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液并注入双层套筒的外层，以及将硅粒子超声分散于聚乙烯醇和乙二醇的混合溶液并注入双层套筒的内层，最后干燥和高温煅烧，可有效增加复合材料的导电性及活性位点，有利于硅碳负极材料维持较高的比容量，具有原料价格低廉、制备工艺流程简单易操作、制备过程能耗较低、对环境无污染，适合大量制备。
17、综上所述，本专利技术制备出的非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌，这种结构使离子和电子传输较快，电极材料结构比较稳定等的特点。制备方法可以通过调节掺杂元素的种类、浓度，可有效增加复合材料的导电性及活性位点，有利于硅碳负极材料维持较高的比容量，且原料价格低廉、制备工艺流程简单易操作、制备过程能耗较低、对环境无污染，适合大量制备。
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1.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，包括由Si和掺杂非晶元素的碳材料构成具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌的复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述的复合材料中，非晶元素均匀地分散在一维碳纤维中。
3.根据权利要求1或2所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述的非晶元素与碳元素的质量比为1:8～30。
4.基于权利要求1～3任一项所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求1或2或4所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述的非晶元素具体包括P元素或Ge元素
9.基于权利要求1-3任一项所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的应用，其特征在于，所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料用于锂离子电池负极材料。
10.基于权利要求4所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法及制备得到的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的应用，其特征在于，所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法用于制备锂离子电池负极材料，制备得到的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料用于锂离子电池负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，包括由si和掺杂非晶元素的碳材料构成具有一维纤维相互交织形成三维多孔内部结构的特殊形貌的复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述的复合材料中，非晶元素均匀地分散在一维碳纤维中。
3.根据权利要求1或2所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述的非晶元素与碳元素的质量比为1:8～30。
4.基于权利要求1～3任一项所述的一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.一种非晶元素掺杂的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以...
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