[发明专利]氮掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用。以含氮气源或者高沸点含氮化合物为掺杂材料，将掺杂材料的蒸气与预先加热好的硅源蒸气在1200℃‑1700℃进行气相混合反应1‑24小时，得到氮掺杂氧化亚硅材料；其中，所述硅源蒸气为硅蒸气与二氧化硅蒸气的混合蒸气；所述含氮气源为在常温下为气态的含氮化合物，所述高沸点含氮化合物为在常温下为液态或固态的含氮化合物；将氮掺杂氧化亚硅材料冷却至室温并出料破碎筛分；将破碎筛分后的物料进行飞行时间二次离子质谱分析测试，确认氮掺在氧化亚硅中的掺杂均匀性是否满足预设条件；将掺杂均匀性满足预设条件的物料进行碳包覆，即得氮掺杂硅基锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，尤其涉及一种氮掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，业内对动力电池的性能提出了更高的要求。正负极材料决定动力电池的能量密度，功率密度，循环寿命，高低温性能，安全性能的关键组成部分，其主要作用是使锂离子自由地脱嵌，实现电池充放电功能。其中，锂离子电池负极材料的要求至少要满足以下几点：1.较低的化学电位；2.良好的导电性；3.良好的循环稳定性和安全性；4.价格低廉的原材料等等。

负极材料是锂离子电池技术最关键的材料之一。目前市售的石墨负极由于其低克容量已经到达了其技术瓶颈。而硅是最有希望取代它的锂离子负极材料之一。拥有高达4200mAh/g比容量的硅基负极材料，且具有三维扩散通道的硅基负极材料逐渐显示出它高能量密度的优势。虽然硅基负极材料可以实现令人满意的能量密度，但同时也存在材料的技术瓶颈。硅基负极材料本身具有的体积膨胀效应，导电性差等一系列缺点，限制了其实际应用。

氮掺杂是一种比较常见的改性方式。专利CN110911665A提供了一种硼、氮掺杂锂离子电池负极材料的制备方法，通过将将三聚氰胺、硼酸氨、正硅酸乙酯、盐酸、去离子水和乙醇混合，获得胶状前驱体溶液，后将溶液干燥碳化球磨等一系列处理后得到硼、氮掺杂锂离子电池负极材料。所得到的负极材料制备的电池倍率性能和电化学性能良好。但是其方案也存在不足。由于是将固体颗粒进行液相混合，当干燥后仍是以固相方式进行传质接触，所以仍存在反应不均匀，颗粒分散不好的情况，会影响到制备方法所得材料的一致性，并可能因此影响到材料的循环性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种氮掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料及其制备方法和应用，通过气相反应得到的体相掺杂均匀的锂离子电池负极材料，该材料具有更高的循环稳定性，同时材料的一致性也更加优异。

第一方面，本发明实施例提供了一种氮掺杂软碳包覆硅基锂离子负极材料的制备方法，包括：

以含氮气源或者高沸点含氮化合物为掺杂材料，将掺杂材料的蒸气与预先加热好的硅源蒸气在1200℃-1700℃进行气相混合反应1-24小时，得到氮掺杂氧化亚硅材料；其中，所述硅源蒸气为硅蒸气与二氧化硅蒸气的混合蒸气；所述含氮气源为在常温下为气态的含氮化合物，所述高沸点含氮化合物为在常温下为液态或固态的含氮化合物；

将氮掺杂氧化亚硅材料冷却至室温并出料破碎筛分；

将破碎筛分后的物料进行飞行时间二次离子质谱分析测试，确认氮掺在氧化亚硅中的掺杂均匀性是否满足预设条件；

将掺杂均匀性满足预设条件的物料进行碳包覆，即得氮掺杂硅基锂离子负极材料。

优选的，所述含氮气源具体包括：氮气、氨气、氧化亚氮或二甲胺中的一种或多种；

所述高沸点含氮化合物具体包括：碳酰胺或三聚氰胺。

优选的，所述掺杂材料的蒸气通过对所述掺杂材料加热到25℃-800℃获得。

优选的，所述硅源蒸气中硅蒸气和二氧化硅蒸气按照摩尔比硅：二氧化硅＝1：1混合。