[发明专利]一种硫化钼掺杂的硅碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池材料领域，公开了一种硫化钼掺杂的硅碳负极材料及其制备方法和应用。硫化钼掺杂的硅碳负极材料具有双重核壳结构，该结构包括核结构和包覆核结构的碳壳层结构；核结构包括硫化钼纳米片和分散于硫化钼纳米片中的碳包覆纳米硅颗粒。制备方法：制备碳包覆纳米硅颗粒；将碳包覆纳米硅颗粒分散于硫化钼纳米片中，得前驱体；将前驱体、有机溶剂和离子液体混合，得前驱体悬浮液；加入有机碳源，喷雾干燥，碳化，形成硫化钼掺杂的硅碳负极材料。本发明制备的硫化钼掺杂的硅碳负极材料比容量高、膨胀率低、具有优异的循环稳定性、倍率性能和电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种硫化钼掺杂的硅碳负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、循环使用寿命长、自放电率低以及无记忆效应等优点而被广泛应用于消费类电子产品、电动汽车以及储能等领域，但随着经济的发展，市场对于电池的续航能力也提出了更高的要求，锂离子电池需要向着更高的能量密度以及更长的循环寿命方向发展。

硅基材料因具有高的理论比容量(4200mAh/g)而成为研究热点。然而，硅基电极在充放电过程中会发生严重的体积膨胀以及粉化，使电池的效率和循环性能迅速下降。近年来，将纳米硅与碳材料组成硅碳复合负极材料最具商业化应用的前景。其中，碳材料既能增强硅的导电性，又能提供空间来缓冲硅的体积变化，可有效弥补纯硅基材料的缺陷。然而，硅碳复合材料目前也存在几个关键问题需要解决：首先，碳材料的理论比容量偏低(372mAh/g)，其对复合材料整体比容量的贡献较小。其次，碳材料并不能改善锂离子的扩散动力学，不利于倍率性能的改善。最后，碳材料对于机械稳定性起着重要作用，若其结构被破坏，则复合材料整体也将因此而失效。

因此，提供一种高比容量、低膨胀、高导电性、循环稳定性好和倍率性能优良的硅碳负极材料在锂离子电池领域具有重要意义。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种硫化钼掺杂的硅碳负极材料，该负极材料由于有硫化钼的掺杂，可以提升硅碳负极材料的比容量、加快锂离子与电子的转移速度，以及改善硅在充放电循环过程中出现的体积膨胀现象，从而使电极的整体性能得到提升。

本发明还提出所述硫化钼掺杂的硅碳负极材料的制备方法。

本发明还提出一种锂离子电池。

根据本发明的一个方面，提出了一种硫化钼掺杂的硅碳负极材料，所述硫化钼掺杂的硅碳负极材料具有双重核壳结构，所述双重核壳结构包括核结构和包覆所述核结构的碳壳层结构；

所述核结构包括硫化钼纳米片和分散于所述硫化钼纳米片中的碳包覆纳米硅颗粒。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

本发明的硫化钼掺杂的硅碳负极材料具有双重核壳结构，该结构有效避免了硅与电解质的直接接触，不仅可增强导电性，还可为硅的体积膨胀提供富余的缓冲空间，从而使具备该结构的硅碳负极材料在0.5A/g的测试条件下，初始循环500次后容量保持率仍可达到92％以上，具有优良的循环稳定性。

另外，本发明的硫化钼掺杂的硅碳负极材料进行了硫化钼的掺杂，硫化钼是一种层状过渡金属二卤族化合物，具有与石墨相似的化学性质与物理性质。与石墨相比，硫化钼具有更高的比容量(699mAh/g)，而且其层状结构之间范德华力较弱。因此层状硫化钼纳米片的掺杂不仅可提升硅碳负极材料的整体比容量，而且由于层间范德华力较弱，锂离子与电子的转移速度也得到提升，使硅碳负极材料具有良好的倍率性能。

在本发明的一些实施方式中，所述硫化钼掺杂的硅碳负极材料的粒径为10～25μm。

在本发明的一些实施方式中，所述硫化钼纳米片的长度为500～1200nm。

在本发明的一些实施方式中，所述碳壳层的厚度为120～200nm。