[发明专利]一种多孔非金属掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极、锂离子电池

说明书

本发明公开一种多孔非金属掺杂硅基负极材料的制备方法，包括，取含氮高分子化合物、硅基负极基材，制得混合粉末，再将混合粉末在高温条件下使其中的含氮高分子化合物在硅基负极基材表面进行分解反应，得到具有氮掺杂改性的无定型碳层包覆层包覆的多孔非金属掺杂硅基负极材料。本发明还公开采用上述制备方法制备的多孔非金属掺杂硅基负极材料、以及包含该多孔非金属掺杂硅基负极材料的负极和锂离子电池。本发明的多孔非金属掺杂硅基负极材料、负极、以及锂离子电池具有高容量、高首次效率、以及高倍率性能。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种具有高倍率和高容量性能的多孔非金属掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极、锂离子电池。

背景技术

负极材料作为锂电池的四大主材之一，其性能对电池性能具有关键影响。一直以来，锂电池厂商主要是以石墨作为锂电池的负极材料，石墨属于碳负极材料中的一种，包括人造石墨和天然石墨，其具有良好的循环稳定性、优异的导电性，且石墨的层状结构具有良好的嵌锂空间。但是，随着便携性、高性能储能设备的需求不断增长，对锂电池性能要求不断提高，而石墨负极材料理论克电容量低(372mAh/g)、长循环次数时容易造成层状结构剥离脱落等缺点，这限制了锂电池比能量和性能的进一步提升。

硅材料由于可以和锂形成二元合金，且不仅具有超过石墨10倍的理论容量(4200mAh/g)，还具有低的脱嵌锂电压平台(低于0.5V vsLi/Li+)、与电解液反应活性低、储量丰富、价格低廉等优点，是一种具有前景的锂电池负极材料。然而，硅材料作为锂电池负极也存在致命的缺点：充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，形成硅锂合金后造成很大的体积膨胀(约300％)；放电时锂离子从晶格间脱出，又形成了体积间的间隙，反复循环下导致材料结构粉化进而使电池容量、寿命急剧降低。

目前，研究发现通过球磨法、高温裂解法、化学气相沉淀法、溅射沉积法、蒸镀法等工艺在硅材料表面包覆碳可以改善硅材料的性能，但是上述工艺均存在成本高、工业化困难等难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种多孔非金属掺杂硅基负极材料及其制备方法、负极、锂离子电池，该负极材料、负极、以及锂离子电池具有高容量、高首次效率、以及高倍率性能。

解决本发明技术问题的技术方案为：

根据本发明的一个方面，提供一种多孔非金属掺杂硅基负极材料的制备方法，其技术方案如下：

一种多孔非金属掺杂硅基负极材料的制备方法，包括：取含氮高分子化合物、硅基负极基材，制得混合粉末，再将混合粉末在高温条件下使其中的含氮高分子化合物在硅基负极基材表面进行分解反应，得到具有氮掺杂改性的无定型碳层包覆层包覆的多孔非金属掺杂硅基负极材料。

优选的是，具体包括以下步骤：

S1，将含氮高分子化合物、硅基负极基材混合，加入溶剂，并搅拌均匀，经干燥后，得到所述混合粉末；

S2，将混合粉末在保护气氛条件下，加热至600-1200℃的所述高温，并保温一段时间，使其中的含氮高分子化合物在硅基负极基材表面进行分解反应，使硅基负极基材表面形成所述具有氮掺杂改性的无定型碳层包覆层；

S3,冷却，过筛，得到所述多孔非金属掺杂硅基负极材料产品。

优选的是，所述含氮高分子化合物和所述硅基负极基材的质量比为(2-20)：100。

优选的是，所述含氮高分子化合物为三聚氰胺、聚苯胺、氨基酸、以及聚酰亚胺中的一种或多种。

优选的是，所述含氮高分子化合物的中值粒径为0.05-20μm。

优选的是，所述硅基负极材料为硅氧负极材料(即SiO_x，其中，0.5≤x≤1.5)，所述硅基负极材料的中值粒径为1-30μm。