[发明专利]一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用。该碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料的制备过程为：将氧化亚硅粉体分散至含磷源和氮源的溶液中，再进行干燥处理，得到混合料；将混合料置于保护气条件下进行煅烧处理，得到氮磷双掺杂氧化亚硅材料；在氮磷双掺杂氧化亚硅材料表面通过气相沉积碳包覆层，即得碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料，将该复合材料作为负极材料应用在锂离子电池中，能获得高放电容量和首次放电效率，以及安全性能好的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，特别涉及一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料，还涉及其制备方法以及碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料作为负极材料在锂离子电池中的应用，属于锂电池材料技术领域。

背景技术

目前已商业化且较成熟的锂离子电池用的负极材料为石墨负极，但是其理论克容量仅372mAh/g，无法满足高容量的放电需求，因此需开发更高性能的负极材料来替代石墨负极材料。纳米Si负极的理论克容量达4200mAh/g，是一种理想的锂离子电池用高容量负极材料，但是其在充放电过程中，Si的体积变化达到300％以上，剧烈的体积变化所产生的内应力，易导致负极极片开裂、粉化等问题，影响容量发挥。

对比纳米Si负极材料，氧化亚硅负极材料其放电克容量达1965～4200mAh/g，仅比纳米Si负极材料略小，但是其循环性能和倍率性能更优，综合性能更好，适用于电动工具领域的倍率型锂离子电池用负极材料。但是其材料导电性差，首次放电容量和效率低，一定程度上制约了其发展，需要对其进行改性处理。现有的技术中，对氧化亚硅负极材料的改性方法很多，如中国专利(CN109004208A)公开了一种氮掺杂碳包覆的氧化亚硅材料的制备方法及其应用，其主要是利用三聚氰胺做氮源来进行掺杂改性，但是该方法采用的三聚氰胺微溶于水，其在水溶液中的分散效果差，制备的氧化亚硅材料中碳包覆的均匀性差。又如中国专利(CN 110071270 B)公开了氮掺杂氧化亚硅负极材料及其制备方法与应用，其利用硅粉和二氧化硅粉为硅源，然后将含氮的有机物与之混合后，在含氮的气体中进行高温煅烧制备氮掺杂氧化亚硅负极材料，但是其硅源采用的是硅粉和二氧化硅粉的混合物，其混合物的均匀性控制难度大，易造成化学成分偏析和批次内性能指标波动等问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的第一个目的是在于提供一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料，该复合材料不但在氧化亚硅表面形成了均匀的碳包覆层，同时在氧化亚硅及碳包覆层均进行了氮和磷的双掺杂，不但能够解决氧化亚硅材料导电性差的问题，而且可以提高碳包覆层表面与锂离子的结合能力，增强复合材料亲锂性，降低Li成核过电位，使Li均匀脱嵌，有效抑制锂枝晶的形成，提高电芯的安全性能，同时也可以改善复合材料与电解液之间的接触效果，降低锂离子在充放电过程中的迁移阻力，极大地减少极化现象，提升放电容量和首次放电效率。

本发明的第二个目的是在于提供一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料的制备方法，该方法通过液相混合、高温煅烧以及气相沉积获得碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料，利用液相混合可保障氮和磷在氧化亚硅中的均匀分布，而高温煅烧可以完成氮磷在氧化亚硅表面进行化学掺杂和结合，气相相沉积过程可以在氧化亚硅表面均匀形成碳包覆层，同时可以实现氮磷在碳包覆层中的掺杂，从而获得电化学性能优良的复合材料，该方法生产成本低，步骤简单，有利于大规模生产。

本发明的第三个目的是在于提供一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料作为负极材料应用在锂离子电池中，能获得高放电容量和首次放电效率，以及安全性能好的锂离子电池。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳包覆氮磷双掺杂氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

1)将氧化亚硅粉体分散至含磷源和氮源的溶液中，再进行干燥处理，得到混合料；

2)将混合料置于保护气条件下进行煅烧处理，得到氮磷双掺杂氧化亚硅材料；