【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，具体而言，涉及一种复合负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、随着工业化的不断深入，能源过度消耗和环境污染加剧的问题愈发突出，因此寻找安全、清洁、高效的可再生锂离子电池负极材料成为研究的热点之一。目前汽车市场对续航里程及充电速度的需求不断提高，高能量密度和高功率负极材料技术发展迅速。
2、硅负极的理论比容量(4200mah/g)远高于商业化的石墨负极(372mah/g)，是未来电池技术发展的重要方向之一。然而，由于硅基负极在锂化过程中伴随锂离子插层和脱层的巨大体积波动(>300％)，从而导致硅负极粉化，使有效活性材料从集流体上脱落，电极结构被破坏。在循环过程中，si颗粒断裂的主要原因是由li浓度梯度和各向异性变形引起的高应力集中，进而影响其循环寿命。与此同时，体积效应使固体电解质膜(sei)不断发生重组，导致sei随着每一次充放电循环而变厚，造成不可逆容量急增、电池内阻增大、库伦效率变低和导电性变差等问题。另外，硅属于半导体材料，其低的电导率和离子扩散系数降低了锂离子的扩散动力学性能。因而需要对硅基材料的结构进行优化设计以改善和提升其电化学性能。
3、相比之下，碳负极具有较好的化学稳定性。然而，硬碳的比容量低，首圈库伦效率、倍率性能和循环稳定较差限制了其更进一步的应用。将硅和碳二者进行复合能一定程度上弥补二者的缺点，并发挥二者的优势。现有的硅碳复合负极材料多为包覆结构、层状结构或简单复合结构，这些结构会限制材料的离子电导率。
4、有鉴于此，特提出本专利技术。>
技术实现思路
1、本专利技术的一个目的在于提供一种复合负极材料，可以提供更多的储锂位点和电化学反应场所，可增加活性表面，电化学性能优异。
2、本专利技术的另一个目的在于提供一种所述的复合负极材料的制备方法，该方法简单易行，对环境友好，使得到的复合负极材料具有更加优异的电化学性能。
3、本专利技术的另一个目的在于提供一种负极片。
4、本专利技术的另一个目的在于提供一种电池。
5、本专利技术的另一个目的在于提供一种用电设备。
6、为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
7、一种复合负极材料，包括生物质炭基体和硅合金；所述生物质炭基体具有多孔结构，所述硅合金嵌于所述生物质炭基体中；
8、所述硅合金的化学式为siasbmsnxqb，其中，0.7≤a≤0.9，0.05≤m≤0.15，0.05≤x≤0.15，0≤b≤0.1，a+b+m+x＝1，q元素选自ge、ag和ga中的至少一种。
9、在一种实施方式中，所述硅合金的质量占所述复合负极材料的质量的5％～20％。
10、在一种实施方式中，所述复合负极材料的比表面积为545～670m2/g。
11、如上所述的复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
12、将生物质炭前驱体与硅合金基体于保护性气体条件下进行研磨处理；
13、所述硅合金基体的获取方法，包括：将硅合金基体的原料进行电弧熔炼；
14、所述生物质炭前驱体的获取方法，包括：将生物质炭材料、活化剂和溶剂进行混合处理、干燥处理和碳化处理，再依次进行酸洗和水洗。
15、在一种实施方式中，所述硅合金基体的质量占所述硅合金基体和生物质炭前驱体的总质量的5％～20％。
16、在一种实施方式中，所述研磨处理的次数为25～35次，每次的研磨处理的时间为10～15min。
17、在一种实施方式中，所述研磨处理的间歇时间的总和为200～300min。
18、在一种实施方式中，所述原料为单质si、单质sn、单质sb和单质q；所述单质si、单质sn、单质sb和单质q的摩尔比为(7～9):(0.5～1.5):(0.5～1.5):(0～1)。
19、在一种实施方式中，所述电弧熔炼的温度为800～1000℃；所述电弧熔炼的次数为4～10次，每次的熔炼时间为15～60min。
20、在一种实施方式中，所述电弧熔炼在保护性气体条件下进行。
21、在一种实施方式中，所述生物质炭材料和所述活化剂的质量比为2:(1～5)。
22、在一种实施方式中，所述活化剂的质量占所述活化剂和溶剂的总质量的5％～20％。
23、在一种实施方式中，所述活化剂包括氯化锌、氯化钙、氯化钡、氯化铜、氯化铁、氢氧化钾、碳酸钾和碳酸氢钾中的至少一种。
24、在一种实施方式中，所述生物质炭材料包括小麦秸秆、汉麻秸秆、玉米秸秆、葵花籽壳和核壳中的至少一种。
25、在一种实施方式中，所述混合处理采用搅拌的方式，所述搅拌的转速为200～1000rpm，所述搅拌的时间为6～24h。
26、在一种实施方式中，所述干燥处理的温度为50～80℃。
27、在一种实施方式中，所述碳化处理包括第一碳化和第二碳化；所述第一碳化的温度为100～400℃，所述第一碳化的时间为1～3h；所述第二碳化的温度为500～900℃，所述第二碳化的时间为1～4h；
28、和/或，所述碳化处理在保护性气体条件下进行。
29、一种负极片，包括所述的复合负极材料或者所述的复合负极材料的制备方法制备得到的复合负极材料。
30、一种电池，包括所述的负极片。
31、一种用电设备，包括所述的电池。
32、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
33、(1)本专利技术的复合负极材料，良好的多孔生物质碳结构可以提高复合材料材料的导电性，高容量的硅合金可增加电池的可逆比容量。硅合金均匀镶嵌在多孔碳之中，对于改善电极材料的电子和离子电导率都非常有益；通过硅合金中的金属元素可提升硅与碳基之间的连接力，增加硅与碳之间的作用力，提升硅碳颗粒完整性和抗形变破碎能力；作为锂离子电池的负极材料可以存储更多的电荷，提高电池的首圈库伦效率，并提供更长的循环寿命和更好的循环稳定性。
34、(2)本专利技术利用活化剂浸渍生物质碳制备多孔生物质碳材料，通过电弧熔炼法获得硅合金基体；以多孔生物质多孔碳为碳源，硅合金为硅源，通过高能球磨构建了硅合金和多孔生物质碳复合的三维结构，这种三维结构不仅可增加锂离子的插层通道和插层速率，而且在一定程度上可缓解硅的体积膨胀问题，比一维或二维结构更稳定；本专利技术的复合负极材料的制备方法，通过各个步骤的配合，使复合负极材料具有优异的电化学性能。
35、(3)本专利技术采用上述复合负极材料制备得到的电池具有优异的循环性能和倍率性能。
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1.一种复合负极材料，其特征在于，包括生物质炭基体和硅合金；所述生物质炭基体具有多孔结构，所述硅合金嵌于所述生物质炭基体中；
2.根据权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述硅合金的质量占所述复合负极材料的质量的5％～20％。
3.根据权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料的比表面积为545～670m2/g。
4.如权利要求1～3中任一项所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅合金基体的质量占所述硅合金基体和生物质炭前驱体的总质量的5％～20％。
6.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
7.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述原料为单质Si、单质Sn、单质Sb和单质Q；所述单质Si、单质Sn、单质Sb和单质Q的摩尔比为(7～9):(0.5～1.5):(0.5～1.5):(0～1)。
8.根据权利要求4所述
9.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(4)中的至少一种：
10.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述混合处理采用搅拌的方式，所述搅拌的转速为200～1000rpm，所述搅拌的时间为6～24h。
11.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述干燥处理的温度为50～80℃。
12.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述碳化处理包括第一碳化和第二碳化；所述第一碳化的温度为100～400℃，所述第一碳化的时间为1～3h；所述第二碳化的温度为500～900℃，所述第二碳化的时间为1～4h；
13.一种负极片，其特征在于，包括权利要求1～3中任一项所述的复合负极材料或者权利要求4～12中任一项所述的复合负极材料的制备方法制备得到的复合负极材料。
14.一种电池，其特征在于，包括权利要求13所述的负极片。
15.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求14所述的电池。
...【技术特征摘要】
1.一种复合负极材料，其特征在于，包括生物质炭基体和硅合金；所述生物质炭基体具有多孔结构，所述硅合金嵌于所述生物质炭基体中；
2.根据权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述硅合金的质量占所述复合负极材料的质量的5％～20％。
3.根据权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料的比表面积为545～670m2/g。
4.如权利要求1～3中任一项所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅合金基体的质量占所述硅合金基体和生物质炭前驱体的总质量的5％～20％。
6.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：
7.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述原料为单质si、单质sn、单质sb和单质q；所述单质si、单质sn、单质sb和单质q的摩尔比为(7～9):(0.5～1.5):(0.5～1.5):(0～1)。
8.根据权利要求4所述的复合负极材料的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘美娜，别晓非，姜涛，杨贺捷，孙伟航，计结胜，孙焕丽，徐金龙，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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