【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池材料，具体的，涉及一种镁掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、新型硅碳材料是由多孔碳及沉积在其孔隙中的纳米硅组成。由于多孔碳自身电子导电率差、比表面积高，这导致其倍率性能和高温存储性能偏差。对多孔碳进行掺杂是提升倍率性能的措施之一，掺杂可以提升材料的电子导电率，降低其界面的阻抗提升与电解液的浸润性，从而改善离子导电性。目前，改善碳硅材料的方法主要是通过固相法在材料内部掺杂金属或非金属材料。现有方法存在掺杂一致性差、掺杂元素与硅、碳之间的界面接触较差和不能显著降低阻抗提高倍率性能等缺点。
2、申请号为cn202310356573.7的专利技术专利公开了金属掺杂无定形碳包覆硅碳复合材料及其制备方法和应用，其中，复合材料呈核壳结构，内核结构包括多孔碳颗粒和通过硅烷裂解法沉积在多孔碳内部的纳米硅晶粒，外壳结构包括通过有机金属化合物裂解生成的金属和无形型碳。但是，其仅仅改善了复合材料的外壳阻抗，而对占比高的内核的阻抗并没有改善，这导致首次效率较低，且其制备效率低，过程难以均匀控制。
技术实现思路
1、本专利技术提出一种镁掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用，解决了相关技术中硅碳复合材料首次效率较低、倍率性能和循环性能较差的问题。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、本专利技术提出一种镁掺杂硅碳复合材料，包括内核材料和包覆在所述内核材料表面的外壳材料；
4、所述内核材料为镁掺杂硅碳材料；
5、所述外
6、作为进一步的技术方案，所述外壳材料与所述内核材料的质量比为1:99~5:95。
7、本专利技术还提出所述镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
8、s1、将泡沫碳和羧甲基纤维素锂混合加热并压制到泡沫镍上作为工作电极，以镁盐为溶剂、镁棒为对电极，进行电化学沉积，碳化，得到镁掺杂多孔碳；
9、s2、向所述镁掺杂多孔碳通入第一混合气体，共沉积，得到内核材料；
10、所述第一混合气体由硅烷气体和碳源气体组成；
11、s3、向所述内核材料通入第二混合气体，钝化，得到镁掺杂硅碳复合材料；
12、所述第二混合气体由杂原子气体和氧化性气体组成。
13、通过电化学沉积法在泡沫碳上沉积镁盐，并通过碳化得到镁掺杂泡沫碳，依靠泡沫碳高的孔隙率，降低硅的膨胀，进一步提升循环性能及倍率性能。通过硅烷裂解法，采用硅烷气体和碳源气体共沉积的方式使纳米硅表面包覆无定形碳，降低内核硅的阻抗，进一步改善倍率性能。通过氧化性气体对内核材料表面进行钝化处理，使内核表面的硅形成二氧化硅，并通过杂原子掺杂二氧化硅降低外壳材料的阻抗，进一步提升了首次效率、倍率性能和循环性能。
14、作为进一步的技术方案，步骤s1中，所述电化学沉积时，将混合加热后的泡沫碳和羧甲基纤维素锂压制于泡沫镍上作为工作电极，采用循环伏安法，在-2~2v电压条件下，以1~5mv/s的扫描速度扫描10~100周后，洗涤，干燥。
15、作为进一步的技术方案，步骤s1中，所述碳化时，温度为800~1200℃，时间为1~6h。
16、作为进一步的技术方案，步骤s1中，所述泡沫碳和所述羧甲基纤维素锂的质量比为90~95:5~10。
17、作为进一步的技术方案，所述泡沫碳的孔隙率为30%~80%，孔径为0.01~1mm，密度为0.5~1g/cm3，抗压强度为8~12mpa，电阻率为0.1~20s/cm。
18、作为进一步的技术方案，步骤s1中，所述镁盐为氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化镁中的一种。
19、作为进一步的技术方案，步骤s2中，所述硅烷气体和所述碳源气体的体积比为1~5:1。
20、作为进一步的技术方案，所述硅烷气体为三氯硅烷、四氯硅烷、乙硅烷、二甲基硅烷中的一种。
21、作为进一步的技术方案，所述碳源气体为乙炔、乙烯、丙烯、甲烷、乙烷中的一种。
22、通过优化硅烷气体和碳源气体的体积比，调整沉积纳米硅与无定形碳的沉积量，进一步改善倍率性能。
23、作为进一步的技术方案，步骤s2中，所述第一混合气体的通入流量为100~1000sccm。
24、作为进一步的技术方案，步骤s3中，所述杂原子气体和所述氧化性气体的体积比为1~3:10。
25、作为进一步的技术方案，所述杂原子气体为氨气、硫化氢、二氧化硫、磷化氢、四氟化碳中的一种。
26、作为进一步的技术方案，所述氧化性气体为氧气、一氧化碳、臭氧、一氧化二氮中的一种。
27、作为进一步的技术方案，步骤s3中，所述第二混合气体的通入流量为50~100sccm。
28、作为进一步的技术方案，步骤s2中，所述共沉积时，压强为5~10mpa，温度为600~900℃，时间为1~6h。
29、作为进一步的技术方案，步骤s3中，所述钝化时，温度为800~1200℃，时间为3~12h。
30、本专利技术还提出所述镁掺杂硅碳复合材料在锂离子电池材料领域中的应用。
31、本专利技术的工作原理及有益效果为：
32、1、本专利技术中，镁掺杂硅碳复合材料以镁掺杂硅碳材料为内核材料、以杂原子掺杂二氧化硅材料为外壳材料，利用镁掺杂提升内核的的电子电导率、通过杂原子掺杂二氧化硅降低外壳材料的阻抗，使其在提高复合材料包覆完整度的条件下，改善存储，提高首次效率、倍率性能和循环性能。
33、2、本专利技术中，通过电化学沉积法在泡沫碳上沉积镁盐，得到镁掺杂泡沫碳，并通过碳化得到镁掺杂多孔碳，依靠泡沫碳高的孔隙率，降低硅的膨胀，进一步提升循环性能及倍率性能。
34、3、本专利技术中，通过硅烷裂解法，采用硅烷气体和碳源气体共沉积的方式使纳米硅表面包覆无定形碳，降低内核硅的阻抗，进一步改善倍率性能。此外通过优化硅烷气体和碳源气体的体积比，调整沉积纳米硅与无定形碳的沉积量，进一步改善倍率性能。
35、4、本专利技术中，通过氧化性气体对内核材料表面进行钝化处理，使内核表面的硅形成二氧化硅，并通过杂原子掺杂二氧化硅降低外壳材料的阻抗，进一步提升了首次效率、倍率性能和循环性能。
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1.一种镁掺杂硅碳复合材料，其特征在于，包括内核材料和包覆在所述内核材料表面的外壳材料；
2.根据权利要求1所述的一种镁掺杂硅碳复合材料，其特征在于，所述外壳材料与所述内核材料的质量比为1:99~5:95。
3.一种如权利要求1或2所述的镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述泡沫碳和所述羧甲基纤维素锂的质量比为90~95:5~10；
5.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述镁盐为氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化镁中的一种。
6.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述硅烷气体和所述碳源气体的体积比为1~5:1；
7.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述杂原子气体和所述氧化性气体的体积比为1~3:10；
8.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材
9.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述钝化时，温度为800~1200℃，时间为3~12h。
10.根据权利要求1或2所述的一种镁掺杂硅碳复合材料或由权利要求3~9任意一项所述的制备方法得到的镁掺杂硅碳复合材料在锂离子电池材料领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种镁掺杂硅碳复合材料，其特征在于，包括内核材料和包覆在所述内核材料表面的外壳材料；
2.根据权利要求1所述的一种镁掺杂硅碳复合材料，其特征在于，所述外壳材料与所述内核材料的质量比为1:99~5:95。
3.一种如权利要求1或2所述的镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述泡沫碳和所述羧甲基纤维素锂的质量比为90~95:5~10；
5.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述镁盐为氯化镁、硝酸镁、硫酸镁、碳酸镁、碳酸氢镁、氢氧化镁中的一种。
6.根据权利要求3所述的一种镁掺杂硅碳复合材料的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋志涛，陈佐川，陈飞，孙洪刚，高永静，
申请(专利权)人：河北坤天新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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