【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于化学工程和材料科学领域，具体涉及一种改性碳化硅负极活性材料及其制备方法、负极材料和锂离子电池。
技术介绍
1、锂电池作为目前广泛应用于移动通信、电动汽车、储能系统等领域的重要能源储存装置，一直在不断进行技术改进和创新以提高性能和满足不断增长的能源需求。锂电池的负极材料在决定电池性能和循环寿命方面起着至关重要的作用。传统的负极材料通常采用石墨，然而，随着电动汽车的普及和可再生能源的发展，对电池能量密度、充放电速率和循环寿命的要求不断提高，传统石墨负极逐渐显露出局限性。
2、碳化硅作为一种新型负极材料备受关注，因其具有高比容量和出色的化学稳定性而具备巨大的潜力。它能够存储更多的锂离子，提高电池能量密度，同时具有更快的电子传输速度和更好的电化学性能，有望满足高性能电池的需求。然而，碳化硅负极材料仍然面临一系列挑战，如电阻率高、循环稳定性和电化学性能的持续优化。
3、因此，如何进一步提高碳化硅负极材料的性能，是当下研究的重点方向之一。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种改性碳化硅负极活性材料及其制备方法、负极材料和锂离子电池。本专利技术以含m元素的有机化合物和含可聚合基团的硅基化合物为原料，一方面可以提高材料的碳含量，增加碳化硅中自由碳带结构，为电子的传输提供高速通道，提高电导率；另一方面，m元素的引入可以改变碳化硅及碳带结构的电子结构，降低能隙，有助于电子的快速传输，增强其电导性能和锂离子扩散速度；并且，材料的骨架结构
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种改性碳化硅负极活性材料，所述改性碳化硅负极活性材料的化学通式为sixcymz，0≤x≤3，0≤y≤5，0≤z≤0.5y，m为iiia族元素、va族元素或via族元素中的任意一种或至少两种的组合；
4、所述改性碳化硅负极活性材料的制备原料包括含m元素的有机化合物和含可聚合基团的硅基化合物。
5、本专利技术以含m元素的有机化合物和含可聚合基团的硅基化合物为原料，一方面可以提高材料的碳含量，增加碳化硅中自由碳带结构，为电子的传输提供高速通道，提高电导率；另一方面，m元素的引入可以改变碳化硅及碳带结构的电子结构，降低能隙，有助于电子的快速传输，增强其电导性能和锂离子扩散速度；并且，材料的骨架结构稳定，能有效抑制锂离子嵌入脱出过程中的体积膨胀，保持材料的稳定性。因此，该负极活性材料在锂电池应用中表现出卓越的性能，有望在多个领域产生深远影响。
6、本专利技术中，0≤x≤3，例如可以是1、1.5、2、2.5或3等。
7、本专利技术中，0≤y≤5，例如可以是3、3.5、4、4.5或5等。
8、本专利技术中，0≤z≤0.5y，例如可以是0.3、0.4、0.5、0.8或0.85等。
9、本专利技术中，若z的取值过小，即m元素的掺杂量过少，则电导率过小，阻抗大。z的最大取值范围取决于y值的大小。
10、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述m包括氮、硼或硫中的任意一种或至少两种的组合，优选为硫和/或氮。
11、本专利技术中，采用优选的硫作为m元素引入到碳化硅中，有助于提高离子/电子的传输。
12、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述可聚合基团包括不饱和乙烯基和/或si-h基团。
13、本专利技术中，硅基化合物含不饱和乙烯和/或si-h基团，有助于硅基化合物与含m元素的有机化合物发生硅氢聚合反应，从而在碳化硅中原位引入m元素。
14、第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的改性碳化硅负极活性材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
15、(1)将含m元素的有机化合物、含可聚合基团的硅基化合物和溶剂混合，进行聚合反应，得到改性聚合物前驱体；
16、(2)对所述改性聚合物前驱体进行热处理，得到所述改性碳化硅负极活性材料。
17、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述含m元素的有机化合物为含m元素的有机活性小分子。
18、优选地，所述含m元素的有机活性小分子包括乙烯基吡啶、5,5-二乙烯基-2,2-联吡啶、四甲基四乙烯基环四硅氧烷、三甲基硼烯、二甲基硼烯、二甲基硼氢化锂、乙烯基封端二甲基聚硅氧烷、二乙烯基噻吩、三乙烯基三甲基环三硅氮烷、乙烯基硫醇、三烯丙基胺或1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪烷-2,4,6-三酮中的任意一种或至少两种的组合。
19、优选地，步骤(1)所述含可聚合基团的硅基化合物包括烯丙基氢化聚碳硅烷、乙烯基聚硅烷、乙烯基聚硅氢烷或聚二甲基二乙烯基硅氧烷中的任意一种或至少两种的组合。
20、优选地，步骤(1)所述溶剂包括甲苯、二甲苯、苯、己烷、庚烷、四氢呋喃、二甲基醚、氯仿或二氯甲烷中的任意一种或至少两种的组合。
21、优选地，步骤(1)所述含m元素的有机化合物和含可聚合基团的硅基化合物的质量比为(0.5-1):(1-2)，其中，含m元素的有机化合物的选择范围“0.5-1”例如可以是0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1等，含可聚合基团的硅基化合物的选择范围“1-2”例如可以是1、1.2、1.4、1.6、1.8或2等。
22、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(1)所述混合的方式包括：
23、将含可聚合基团的硅基化合物分散在溶剂中，然后再加入含m元素的有机化合物。
24、优选地，步骤(1)所述混合的过程中伴有搅拌。
25、优选地，步骤(1)所述聚合反应在惰性气氛中进行。
26、需要说明的是，本专利技术对惰性气氛中的气体不作限定，示例性的，例如可以是氩气等。
27、优选地，步骤(1)所述聚合反应的温度为100-150℃，例如可以是100℃、130℃或150℃等。
28、本专利技术中，若聚合反应的温度过低，则无法诱导聚合反应发生；若聚合反应的温度过高，则有机分子发生分解，溶剂蒸发，均影响聚合反应。
29、作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(2)所述热处理的过程包括一级加热、二级加热和三级加热。
30、优选地，所述一级加热的温度为200-400℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、350℃或400℃等，时间为1-3h，例如可以是1h、2h或3h等。
31、优选地，所述二级加热的温度为800-1000℃，例如可以是800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，时间为1-3h，例如可以是1h、2h或3h等。
32、优选地，所述三级加热的温度为1200-1500℃，例如可以是120℃、1300℃、1400℃或1500℃等，时间为2-4h，例如可以是2h、3h或4h等。
33、本专利技术中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述改性碳化硅负极活性材料的化学通式为SixCyMz，0≤x≤3，0≤y≤5，0≤z≤0.5y，M为IIIA族元素、VA族元素或VIA族元素中的任意一种或至少两种的组合；
2.根据权利要求1所述的改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述M包括氮、硼或硫中的任意一种或至少两种的组合，优选为硫和/或氮。
3.根据权利要求1或2所述的改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述可聚合基团包括不饱和乙烯基和/或Si-H基团。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的改性碳化硅负极活性材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含M元素的有机化合物为含M元素的有机活性小分子；
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的方式包括：
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热处理的过程包括一级加热、二级加热和三级加热；
8.根据权利要求4-7任一项
9.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括如权利要求1-3任一项所述的改性碳化硅负极材料、导电剂和粘结剂；
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求1-3任一项所述的改性碳化硅负极材料，或包括如权利要求9所述的负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述改性碳化硅负极活性材料的化学通式为sixcymz，0≤x≤3，0≤y≤5，0≤z≤0.5y，m为iiia族元素、va族元素或via族元素中的任意一种或至少两种的组合；
2.根据权利要求1所述的改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述m包括氮、硼或硫中的任意一种或至少两种的组合，优选为硫和/或氮。
3.根据权利要求1或2所述的改性碳化硅负极活性材料，其特征在于，所述可聚合基团包括不饱和乙烯基和/或si-h基团。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的改性碳化硅负极活性材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：武春晓，姜娇娇，张广积，杨超，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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