[发明专利]一种硅氧材料、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种硅氧材料、其制备方法及用途。所述硅氧材料的制备原料包括掺杂元素M掺杂的Si单质，所述掺杂元素M包括硼、铝、镓、铟、氮、磷、砷或锑中的任意一种或至少两种的组合。由于采用第三主族和/或第五主族的元素对Si单质进行掺杂，改变了硅单质的动力学性能，进而可以使Si单质在与SiO₂等原料氧化还原反应制备硅氧材料时，硅氧材料形成界面团簇混合模型，其中的Si元素具有导体属性，从而使得到的硅氧材料具有较高的电导率。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，涉及一种硅氧材料、其制备方法及用途，尤其在于提供一种元素掺杂的硅氧材料、其制备方法及用途。

背景技术

锂电池的四大主材为：正极、负极、隔膜和电解液，而正极材料和负极材料的离子电导率和电子电导率对锂电池的功率密度具有决定性影响。负极材料的离子电导率和电子电导率低于正极材料，所以负极材料为锂电池提升功率密度的短板，决定锂电池的功率密度。

硅氧材料具有约2500mAh/g的理论克容量已经成功应用在锂离子电池的负极材料中，但是硅材料为半导体，离子电导率和电子电导率都差于石墨材料。因此硅氧材料的动力学性能差于石墨，在快充过程中会导致硅氧材料表面析锂。为了改善硅氧材料的电导率，可以在硅氧材料表面包覆碳层。

例如CN105958036A公开了一种锂离子电池的碳包覆硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：先将硅粉进行液相分散，接着与第一碳包覆层和分散剂一起分散；除去溶剂，将得到的固体材料进行高温碳化处理，得到初级碳包覆硅负极材料；制备第二碳包覆材料的分散液，将初级碳包覆硅材料分散到第二碳包覆材料的分散液中，再除去溶剂并进行二次焙烧得到二次碳包覆硅负极材料。碳层的主要目的为：降低硅氧材料的嵌锂势垒，提升硅氧材料的动力学性能，但是碳包覆层不能提升硅氧材料中硅单质的动力学性能。

CN 109768246A公开了一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料，其制备方法包括以下步骤：B1、以含有SiO_x相的固体颗粒为基体，以Mg/Li/Na/K/Ca/Sr/Ba/Ti/Zr/B/Al/Co单质、合金或固溶体为掺杂原料，将掺杂原料加热到200℃-700℃，使掺杂原料升华，形成掺杂蒸汽；B2、将含有SiO_x相的固体颗粒加入到反应器中，在真空条件下或者氩气流携带下，将掺杂蒸汽通入到反应器中，加热反应器到500-800℃，使得掺杂蒸汽与含有SiOx相的固体颗粒接触并发生气固反应；B3、气固反应0.5-24h后，停止通入掺杂蒸汽，在惰性气体保护下将反应后的固体颗粒转移至新的腔室，压力控制在0.8-2.0atm，在800℃-1100℃下热处理2-8h，同时通入气体碳源进行CVD包覆；B4、包覆完成后，冷却至室温，取出物料，解聚过筛得到粉末产品。但是，无法提升硅氧材料的电导率。

因此，有必要提供一种改善硅单质的动力学性能，进而改善硅基负极电导率的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种硅氧材料、其制备方法及用途，尤其在于提供一种元素掺杂的硅氧材料、其制备方法及用途。本发明的硅氧材料具有较高的电导率，提高了采用其作为负极活性物质的锂离子电池的电化学性能。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种硅氧材料，尤其是一种元素掺杂的硅氧材料，所述硅氧材料的制备原料包括掺杂元素M掺杂的Si单质，所述掺杂元素M包括硼、铝、镓、铟、氮、磷、砷或锑中的任意一种或至少两种的组合。

本发明的硅氧材料，由于采用第三主族和/或第五主族的元素对Si单质进行掺杂，改变了硅单质的动力学性能，进而可以使Si单质在与SiO₂等原料氧化还原反应制备硅氧材料时，硅氧材料形成界面团簇混合模型，其中的Si元素具有导体属性，从而使得到的硅氧材料具有较高的电导率。