[发明专利]一种碳包覆硅负极材料的合成方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，具体为一种碳包覆硅负极材料的合成方法。本发明的制备方法是：将一定比例的化学式为LiMF₆(M＝P或As或B)的添加剂分散或溶解在有机溶剂中，在强烈搅拌下分批加入硅粉形成均一的流变体混合物a；将流变体混合物a置于密闭容器中反应得到前驱体b；前驱体b经干燥后，在一定气氛条件锻烧后得到Li、F、M(M＝P或As或B)三种元素共掺杂的掺杂硅粉体材料c。将掺杂硅粉体材料c与一定比例的碳源化合物混合均匀，在一定气氛条件于先预烧、再烧结后得到碳包覆硅负极材料。所制备碳包覆硅负极材料具有优异循环稳定性和高比容量，符合高能量密度锂离子电池对负极材料的要求。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，具体是涉及一种碳包覆非金属离子共掺杂硅负极材料的合成方法。

背景技术

随着现代社会对能源需求的激增，针对太阳能、风能以及核能等可替代能源向电能的转化研究得到了不断发展。相应的，为电能储存工具而进行的研究也在不断进行。其中，锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长以及无记忆效应等优点成为重点发展对象。现阶段，科研工作者主要集中在提高锂离子电池的能量密度，以期满足对能量密度要求高的应用需求。因此，具有高达4200mAh g^-1理论容量的硅负极吸引了众多科研工作和的注意力。

现阶段，为解决硅材料的低电导率和脱嵌锂过程体积膨胀问题，主要通过对硅材料进行表面碳包覆。具有良好导电性能的表面包覆碳可有效提高硅基负极材料的电导率。同时，表面包覆层还可抑制硅基材料脱嵌锂过程的体积膨胀效应。但是，碳包覆方法并不能改善硅材料的本征电导率。已知的解决该问题的方法为对Si材料进行离子掺杂。例如，申请号为CN201710530314.6的专利公开了一种硼掺杂的硅基负极材料，硼离子掺杂有效提高了纳米硅材料中的空位载流子浓度，从而增强了硅材料的本征电子电导率。与现有掺杂技术不同，本发明首次运用化学式为LiMF₆(M＝P或As或B)的材料为添加剂，成功实现对硅材料的多种离子共掺杂(Li-P-F，Li-As-F，Li-B-F)。其中，Li离子的掺杂可补偿固体电解质界面膜形成过程锂的损耗，从而提高材料的首次循环效率；M离子的掺杂可提高硅材料的本征电导率，而F离子掺杂则能有效抑制硅材料在充放电过程中的体积膨胀。值得一提的是，本发明提供的共掺杂工艺仅需使用一种添加剂，可实现均匀掺杂并降低工艺成本。并且，所合成的掺杂硅粉体材料进一步与特定碳源结合后烧结形成的碳包覆硅负极材料具有优异的电化学性能，适合于高能量密度锂离子电池。

发明内容

本发明的目的是针对硅负极材料存在的低本征电导率，首次库伦效率低以及充放电过程中体积膨胀问题，提供一种优异循环稳定性和高比容量碳包覆硅负极材料的合成方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种碳包覆硅负极材料的合成方法，包括以下步骤：

(1)将一定比例的化学式为LiMF₆(M＝P或As或B)的添加剂分散或溶解在有机溶剂中，在强烈搅拌下分批加入硅粉形成均一的流变体混合物a；

(2)将流变体混合物a置于密闭容器中于25～80℃(优选45～65℃)下反应1h～24h(优选4～10h)得到前驱体b；

(3)前驱体b经干燥后，在一定气氛条件于700℃～1300℃(优选800℃～950℃)下锻烧1h～24h(优选4h～10h)后得到Li、F、M(M＝P或As或B)三种元素共掺杂的掺杂硅粉体材料c；

(4)将掺杂硅粉体材料c与一定比例的碳源化合物在润滑剂中混合均匀，在一定气氛条件于300℃～600℃(优选450℃～550℃)预烧1h～3h(优选2h)、650℃～950℃(优选700℃～850℃)烧结4h～20h(优选5h～10h)后得到碳包覆硅负极材料。

更优的，所述步骤(1)中的添加剂量为步骤(1)中硅粉质量的0.05％～5％，优选1％～3％。