[发明专利]杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法及其材料

说明书

本发明公开了一种杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法，杂原子掺杂硅碳负极材料以硅粉为原料，对其进行球磨处理，实现纳米化，再通过喷雾干燥方法将其与氮源或磷源以及碳材料进行均相复合，造粒得到粉体颗粒，经煅烧，粉碎后，再进行碳包覆及二次氮或磷的均相掺杂，最终得到杂原子掺杂硅碳负极材料，所述杂原子掺杂硅碳负极材料首次可逆容量高，倍率充放电性能优异，膨胀低，循环寿命长，此外制备工艺简单、工业成本低廉，易于实现规模化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法，本发明还涉及上述制备方法制备的材料。

背景技术

在全球节能减排的大趋势下，碳中和政策的驱动下，新能源行业将迎来历史性机遇，交通领域及工业领域的电动化将是主要的减排方式，而储能技术的发展直接影响到电动化进程，作为当下极具储能潜力的锂离子电池，已在手机，新能源汽车等各种电力驱动设备或机器中得到了广泛的应用。但随着新技术的发展以及客户体验对满足感的追求，急迫开发一种高能量、高倍率、高安全性能的新一代锂离子电池。

目前市场上的锂离子电池普遍使用石墨类碳材料作负极材料，如人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳等。但此类碳材料放电比首次可逆容量较低，难以满足人们对长续航锂离子电池的需求。因此，需要一种更高比首次可逆容量的材料代替石墨类材料。硅负极理论比首次可逆容量4200mAh/g，有着略高于石墨负极电压平台，使其充电时不会析锂，具有良好的安全性能，成为最有潜力代替石墨负极的材料。但其在充放电过程发生不同程度的体积变化，导致活性物质膨胀破裂，甚至与集流体分开，电接触变差，电化学性能失效，最终电池可逆首次可逆容量下降，使用寿命大大降低。

为了解决硅负极在充放电过程中体积变化较大的问题，本领域技术人员通过纳米化、与碳基材料、金属材料复合等制备技术缓冲硅的体积变化，使其能够商业化应用。

因此，开发一种低膨胀、高倍率、长循环的锂离子电池负极材料及其制备方法是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法，该方法制备的负极材料具有低膨胀、高倍率、长循环的特点。

本发明的目的是还提供一种杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法制备的负极材料。

本发明所采用的第一种技术方案是，杂原子掺杂硅碳负极材料制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，将硅粉分散在有机溶剂中，加入分散剂和碳材料，球磨粉碎形成纳米硅悬浮液；

步骤2，向步骤1制得的纳米硅悬浮液中加入氮源或磷源以及有机碳源，干燥后得到前驱体I；

步骤3，将步骤2制得的前驱体I置于碳化炉中，通入惰性气体，高温煅烧得到前驱体II；

步骤4，对步骤3制得的前驱体II进行粉碎处理后，进行二次氮、磷元素掺杂及有机碳源包覆，得到前驱体III，随后对前驱体III进行粉碎，分级得到杂原子掺杂硅碳负极材料。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

步骤1中，有机溶剂为液体醇类、酮类、烷类、脂类、醚类和四氢呋喃中的至少一种。

步骤1中，纳米硅悬浮液中的纳米硅中值粒径为50-500nm。

步骤1中，分散剂为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂，分散剂为硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚山梨脂、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪醇醚、甘油、季戊四醇中的至少一种；所述分散剂在纳米硅悬浮液中占比纳米硅质量的1％-50％。

步骤1中，碳材料为导电炭黑、导电石墨、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米笼、多孔碳中的至少一种；所述碳材料在纳米硅悬浮液中占比纳米硅质量的5％-15％。