[发明专利]一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，其由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成。本发明还提出了一种所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，包括：将纳米硅材料均匀分散在磷酸溶液中后喷雾干燥得到磷掺杂纳米硅材料；将磷掺杂纳米硅材料进行一次烧结；将经一次烧结的磷掺杂纳米硅材料均匀分散在水中，加入石墨和有机碳源，分散完全后喷雾干燥和二次烧结。本发明提出的锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法工艺简单，操作方便，原料天然易得，成本低，后续处理方式方便，易于大规模生产，所得负极材料电子导电率高，体积膨胀小。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着锂离子电池在电动工具、电动/混动汽车、储能电站等大功率设备应用上的不断拓展，传统石墨负极(372mAh/g)已经很难满足人类对高能量密度电池的需求，因此寻找可以替代石墨的下一代锂离子电池阳极材料成为目前锂离子电池相关研究的热点之一。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，资源丰富，不会与电解液发生溶剂共嵌入现象，同时嵌锂电位较高，更加安全。然而硅阳极材料在充放电过程中会经历高达300％的体积变化，如此高的体积膨胀收缩，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触，同时体积变化带来新表面的产生，需要形成新的固体-电解质界面(SEI)从而导致对电解液的大量消耗，进而导致循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。

目前学术界主要通过纳米化、与惰性相复合、造孔等手段优化材料结构以期提升其电化学性能。如houd等(Chou S,Wang J,Choucair M,et al.Enhanced reversiblelithium storage in a nanosize silicon/graphene composite[J].ElectrochemistryCommunications,2010,12(2):303-306.)通过简单的液相法制备了了硅/石墨烯复合材料，首次可逆容量达2158mAh/g。Kim等(Jo Y N,Kim Y,Kim J S,et al.Si-graphitecomposites as anode materials for lithium secondary batteries[J].Journal ofPower Sources,2010,195(18):6031-6036.)用机械球磨的方法制备了硅/石墨/无定型碳材料，材料导电性好，首次库伦效率高达86.4％。Liu等(Liu N,Lu Z,Zhao J,et al.Apomegranate-inspired nanoscale design for large-volume-change lithium batteryanodes[J].Nat Nanotechnol,2014,9(3):187-192.)采用聚合物裂解的方法制备一种石榴石结构纳米硅基复合材料。纳米硅团簇颗粒表面包覆一层树脂热解碳。这种材料在1A/g电流密度下首次可逆比容量达2350mAh/g。但是这些方法均是采用碳材料或导电聚合物来提高硅基材料的电子导电性，并没有提高硅材料本征的电子电导率。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法，该制备方法工艺简单，操作方便，原料天然易得，成本低，后续处理方式方便，易于大规模生产，所得负极材料电子导电率高，体积膨胀小。

本发明提出的一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料，所述磷掺杂硅碳负极材料由磷掺杂纳米硅材料与石墨和有机碳源喷雾造粒后烧结而成。

优选地，在磷掺杂硅碳负极材料中，磷掺杂纳米硅材料的质量百分比为3％-95％，余量为石墨及无定形热解碳。

本发明还提出的一种所述锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将纳米硅材料均匀分散在磷酸溶液中，然后进行喷雾造粒，经一次烧结后得到磷掺杂纳米硅材料；