[发明专利]一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料及其固相制备方法

说明书

本发明涉及锂电池领域，公开了一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料及其固相制备方法。本发明以硼氧化合物为掺杂剂，直接通过固相反应一步使硼氧化合物在高温下分解产生氧化硼，控制氧化硼与负极材料表面进行反应。本发明材料的结构特征在于负极材料表面由原本的缺陷状态形成了硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。通过表面改性，一方面能够通过硼的催化作用，减少负极材料的表面缺陷，提高其石墨化度，另一方面能够通过氧化硼与负极材料表面的复合反应，减少负极材料的表面缺陷，从而使其比表面积大大降低，较小的比表面积使其在高温下与电解液的副反应减少，高温性能有明显的改善。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料及其固相制备方法。

背景技术

近年来，随着对便携性和高性能储能设备的需求不断增长，能源领域特别是锂离子电池和超级电容器吸引了人们的广泛关注。目前工业上广泛应用的锂离子电池负极材料是石墨碳材料，但其使用温度通常在室温25℃左右，在使用温度较高时，尤其是在赤道等高温区域使用时，负极材料在锂离子的嵌入和脱出过程中很容易与电解液发生副反应，电解液快速消耗，并伴随着气体产生，使锂电池胀气，容量迅速衰减，安全性大大降低，因此开发高温性能好的负极材料至关重要。

石墨负极材料具有优异的导电性、良好的化学稳定性，是作为锂离子电池活性材料的理想碳基体。目前负极材料掺杂改性的研究主要集中在N、P、S等元素，且主要通过液相反应进行掺杂，但这些元素的掺杂过程在实际生产中难以操作，改性成本比较高，而且这些元素的化合物通常具有挥发性，在生产过程中容易伴随着高污染高危型性气体的产生。比如N元素掺杂，在文献研究中，多采用三聚氰胺作为N元素的掺杂剂，但三聚氰胺分解过程中，会产生氢氰酸气体，具有很大的危险性和污染性，难以大规模应用。

因此，有必要开发出更多新的具有出色高温性能的锂离子负极材料。

发明内容

本发明为了简化制备方法，克服非金属掺杂改性难以大规模应用的缺点，提供了一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料及其固相制备方法。本发明采用固相掺杂的方法，通过一步反应得到良好高温性能的硼掺杂负极材料，主要是以硼氧化合物作为掺杂剂，在高温下分解产生氧化硼，氧化硼在高温条件下与负极基材表面的进行复合，形成硼碳键和硼碳氧键等复合结构，减少负极材料表面的缺陷，同时掺入的硼能够催化负极材料表面的缺陷部位向石墨微晶转变，提高负极材料的石墨化度，形成非金属硼掺杂改性的高温负极材料。

本发明的具体技术方案为：一种具有良好高温性能的硼掺杂负极材料，负极基材表面掺杂有由硼化合物为前驱体形成的硼元素；负极材料制备过程中，所述硼化合物和负极基材的质量比为0.1～15∶100。

本发明以硼氧化合物为掺杂剂，通过硼氧化合物在高温下分解产生氧化硼，控制氧化硼与负极基材表面进行反应，并在高温下在负极材料表面形成硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。本发明材料的结构特征在于负极材料表面由原本的缺陷状态形成了硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。通过表面改性，一方面能够通过硼的催化作用，减少负极材料的表面缺陷，提高其石墨化度，另一方面能够通过氧化硼与负极材料表面的复合反应，减少负极材料的表面缺陷，从而使其比表面积大大降低，而负极材料的比表面积与其高温性能有很大关系，较小的比表面积使其在高温下与电解液的副反应减少，高温性能有明显的改善。

在本发明中，将负极材料与掺杂剂混合均匀后，直接通过固相反应一步得到硼掺杂高温负极材料，步骤简单，设备要求低。该非金属元素硼掺杂的复合材料具有制备工艺简单，结构设计独特，易于推广，高温性能好等优点。

虽然在现有技术中的确已经有公开对锂电池负极材料进行硼掺杂，但是其目的并非在于改善负极材料在高温环境下的稳定性，而是普遍在于提升负极材料容量、循环性能等，其并未重点突出高温环境，与本发明所要解决的技术问题并不相同。而所要解决的技术问题的不同，会直接导致在设计技术方案时的侧重点。关注点不同，例如材料选择、材料配比以及工艺参数等等，都会产生巨大的差异，因此本发明与现有技术中的硼掺杂负极材料的技术方案并不具有很高的可比性。