[发明专利]一种硅碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳材料及其制备方法和应用。一种硅碳材料，包括内核以及包覆所述内核的外壳，所述内核为硅，所述外壳为氮、磷共掺杂的多孔碳。本发明的硅碳材料，通过结构和掺杂原子的设计，能够显著提高硅碳材料的电导率，同时抑制其用作负极活性材料时，充放电过程中的体积变化；最终提升所得硅碳材料的循环性能。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种硅碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池(Lithium-ion batterys,LIBs)具有容量大、重量轻、寿命长等优点，是一种重要的储能设备。LIBs负极的选择有许多，例如锂金属(Li)、石墨、硅、硅碳复合材料、硒化锡(SnSe_x)、四氧化三锰(Mn₃O₄)、二硫化铼(ReS₂)等。其中，锂金属负极具有理论容量大、密度低、氧化还原电位低等优点，得到了广泛的研究。然而，与其他种类的负极相比，金属锂负极中锂枝晶问题更为严重，而锂枝晶的生长会造成严重的安全问题，这阻碍了金属锂负极的实际应用。此外，现在工业上最常用的锂离子电池负极是石墨负极，其原因是石墨负极具有优良的导电性和长周期稳定性，但其克比容量较低(约372mAh·g^-1)，无法满足消费者对高能量密度和功率密度的要求。

硅是一种理论容量高(4200mAh·g^-1)、资源丰富、价格低廉的LIBs负极材料，几乎不存在锂枝晶问题。然而，在充放电过程中硅材料的体积变化大(约为300％)，这会导致其的粉碎，同时，硅负极的电导率较差，上述问题均严重阻碍其实际应用。

为了解决硅负极现存的问题，开发新型硅基负极材料是关键举措。其中，将硅和碳复合形成硅碳材料，可有效提升硅负极的电导率，同时缓解其体积变化带来的不利影响。但是现有的硅碳负极仍具有循环性能差的问题。

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，本发明提出一种硅碳材料，通过结构和掺杂原子的设计，能够显著提高硅碳材料的电导率，同时抑制其用作负极活性材料时，充放电过程中的体积变化；最终提升所得硅碳材料的循环性能。

本发明还提出一种上述硅碳材料的制备方法。

本发明还提出上述硅碳材料的应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种硅碳材料，包括内核以及包覆所述内核的外壳，所述内核为硅，所述外壳为氮、磷共掺杂的多孔碳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：

(1)外壳中的氮、磷掺杂原子可以和内核中的硅形成Si-N、Si-P等强化学键，可以增强外壳和内核之间的相互作用力，进而缓解上述硅碳材料在充放电过程中的体积变化，更能缓解由于内核硅体积变化带来的硅碳材料粉化，最终可以提升硅碳材料的电化学性能，特别是循环性能。

(2)硅碳材料中，氮掺杂促进了电子的转移，磷是电子给体，两者结合后，可调节硅碳材料中的电子结构，进而提升其电子导电性；综上，采用氮、磷共掺杂的硅碳负极材料是构建高容量和电化学性能的有效策略，各组分之间的协同作用有助于获得理想的电化学活性。

(3)外壳中的碳是多孔碳，孔隙结构一方面有利于电解液的浸润，另一方面也可以作为硅体积变化的缓冲带；最重要的，多孔碳作为电子的良导体，可以显著提升硅碳材料的电导率。

(4)综上，发明通过设计核壳结构、多孔结构以及氮、磷掺杂；加之硅本身具有的高容量，最终获取了具有高容量、高电导率、低体积变化和长循环寿命的硅碳材料。

在本发明的一些实施方式中，所述内核和外壳的质量比为1：0.1～1。

在本发明的一些实施方式中，所述硅碳材料的粒径为5～10μm。

在本发明的一些实施方式中，所述外壳中，氮和磷的原子个数比为1：0.5～2。