负极材料及其制备方法，电池和终端技术

本发明专利技术实施例提供一种负极材料，包括掺杂碳材料，所述掺杂碳材料包括碳基基体和掺杂在碳基基体中的掺杂元素，所述掺杂元素包括B、N、O、P、S、F中的至少两种，至少部分所述掺杂元素与碳基基体形成C

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法，电池和终端
[0001]本申请是分案申请，原申请的申请号是201911171298.1，原申请日是2019年11月25日，原申请的全部内容通过引用结合在本申请中。


[0002]本专利技术实施例涉及锂离子电池
，特别是涉及负极材料及其制备方法，电池和终端。

技术介绍

[0003]随着互联网的发展和便携式电子设备的普及，人们对移动智能电子设备的依赖越来越强，电池的续航问题也越来越突出，通过提高电池容量来增加续航时间是最常规的思路，而快充技术则是一项更为合理的续航解决方案。对于快充，目前业界主要的方案是通过电路设计来提升电池快充能力，然而依靠电路设计虽然在一定程度上提升了快充能力，例如实现了30分钟充满80％的快速充电，但是要想实现更快充电，甚至实现分钟级快充，充电电流会更大，这样对电池负极材料的快充性能提出了更高的要求。然而目前不管是传统石墨负极材料，还是新型高容量硅基负极材料，由于材料本征结构所限，当充电电流过大时，活性离子(如锂离子)扩散缓慢，极易析出成晶，导致电芯鼓胀和循环衰减，严重时甚至起火爆炸。因此想要实现更快充电，需要在满足能量密度不损失的前提下，开发新型的快充负极材料。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术实施例提供一种负极材料，其包括掺杂碳材料，该掺杂碳材料中的部分掺杂元素与碳基基体形成了C
‑
Ma
‑
Mb化学键合，有效提高了负极材料的快充性能，以在一定程度上解决了现有负极材料快充性能较差的问题。
[0005]具体地，本专利技术实施例第一方面提供一种负极材料，包括掺杂碳材料，所述掺杂碳材料包括碳基基体和掺杂在所述碳基基体中的掺杂元素，所述掺杂元素包括B、N、O、P、S、F中的至少两种，至少部分所述掺杂元素与所述碳基基体形成C
‑
Ma
‑
Mb化学键合，其中，Ma、Mb代表两种不同的所述掺杂元素。
[0006]本专利技术实施方式中，所述碳基基体包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑中的一种或多种。
[0007]本专利技术实施方式中，所述掺杂碳材料中，所述掺杂元素的质量含量小于或等于5％。具体地，掺杂元素的质量含量为0.1％
‑
5％。
[0008]本专利技术实施方式中，所述掺杂碳材料的中值粒径为1nm
‑
30μm。
[0009]本专利技术一实施方式中，所述负极材料由所述掺杂碳材料的一次颗粒或二次颗粒构成。其中，所述掺杂碳材料一次颗粒的中值粒径可以是1μm
‑
10μm，所述掺杂碳材料二次颗粒的中值粒径可以是3μm
‑
30μm。
[0010]本专利技术实施方式中，所述负极材料还包括设置在所述掺杂碳材料的一次颗粒或二
次颗粒表面的保护层，所述保护层包括碳层和/或导电聚合物层。
[0011]本专利技术另一实施方式中，所述负极材料还包括其他负极活性组分，所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分复合形成复合颗粒。
[0012]本专利技术实施方式中，所述其他负极活性组分包括碳基材料、硅基材料、锡基材料、锗基材料、金属化合物、金属合金中的一种或多种。
[0013]本专利技术一具体实施方式中，所述复合颗粒中，所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分均匀分布。
[0014]本专利技术实施方式中，所述负极材料还包括设置在所述复合颗粒表面的保护层，所述保护层包括碳层和/或导电聚合物层。
[0015]本专利技术另一具体实施方式中，所述复合颗粒包括由所述其他负极活性组分构成的内核，以及设置在所述内核表面的包覆层，所述包覆层包括所述掺杂碳材料。
[0016]本专利技术实施方式中，所述包覆层的厚度为1nm
‑
100nm。
[0017]本专利技术实施方式中，所述包覆层与所述内核的质量比为0.1
‑
5:100。
[0018]本专利技术实施例第一方面提供的负极材料，其包括掺杂碳材料，该掺杂碳材料中至少有部分掺杂元素与碳基基体形成了C
‑
Ma
‑
Mb化学键合，C
‑
Ma
‑
Mb化学键合的形成，一方面使得碳层层间距增加，从而拓宽了活性离子的传输通道，降低了层间离子扩散传输阻力，提升了材料的快充性能；另一方面，Ma
‑
Mb通过和C原子成键，减少了碳晶格中的空位缺陷，提高了材料的类石墨化度，从而提升了材料的导电性和首次库伦效率；此外，掺杂元素Ma和Mb的引入，还增加了活性离子结合和储存位点，提高了负极材料的比容量。
[0019]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种负极材料的制备方法，包括：
[0020]将碳源前驱体与掺杂元素源混合，于100℃
‑
180℃下进行反应，得到改性碳源前驱体；
[0021]将所得改性碳源前驱体于保护气氛下进行500℃
‑
800℃低温预碳化处理，再进行900℃
‑
1150℃高温碳化处理，降温冷却后，即得到掺杂碳材料，所述掺杂碳材料包括碳基基体和掺杂在所述碳基基体中的掺杂元素，所述掺杂元素包括B、N、O、P、S、F中的至少两种，至少部分所述掺杂元素与所述碳基基体形成C
‑
Ma
‑
Mb化学键合，其中，Ma、Mb代表两种不同的所述掺杂元素。
[0022]本专利技术实施方式中，上述制备方法进一步包括将所述掺杂碳材料与其他负极活性组分进行混合、造粒、烧结、破碎，得到由所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分复合形成的复合颗粒，所述复合颗粒中，所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分均匀分布。
[0023]本专利技术实施方式中，上述制备方法进一步包括将所述掺杂碳材料与其他负极活性组分进行混合，惰性气氛下烧结，破碎，得到由所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分复合形成的复合颗粒，所述复合颗粒包括由所述其他负极活性组分构成的内核，以及包覆在所述内核表面的包覆层，所述包覆层包括所述掺杂碳材料。
[0024]本专利技术实施方式中，所述掺杂元素源含有B、N、O、P、S、F中的至少两种元素。
[0025]本专利技术实施方式中，所述掺杂元素源选自磷酸、磷酸锂、硝酸、柠檬酸、过甲酸、五氧化二磷、乙二胺、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、尿素、氨水、双氧水、三聚氰胺、硼酸、氧化硼、氮化硼、磺化聚苯乙烯、硫代乙酰胺、过硫酸铵、硫脲、硫酸钠、氟化锂、吡咯、吡啶、噻吩、咪唑、四氟化硅、氟化铝、氟化钙、磷腈、五氟环三磷腈、乙氧基(五氟)环三磷腈、六氯环三磷
腈、十六烷基三甲基溴化铵、二甲砜、L
‑
半胱氨酸、氟氢化氨中的一种或多种。
[0026]本专利技术实施方式中，所述将碳源前驱体与掺杂元素源混合的方法包括物理球磨法、低温熔融法、机械融合法、高温烧结法、外延生长法、气相沉积法、磁控溅射法、溶胶凝胶法、微波反应法、水热法、溶剂热法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，包括掺杂碳材料，所述掺杂碳材料包括碳基基体和掺杂在所述碳基基体中的掺杂元素，所述掺杂元素包括B、N、O、P、S、F中的至少两种，至少部分所述掺杂元素与所述碳基基体形成C
‑
Ma
‑
Mb化学键合，其中，Ma、Mb代表两种不同的所述掺杂元素。2.如权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述碳基基体包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑中的一种或多种。3.如权利要求1或2所述的负极材料，其特征在于，至少部分所述掺杂元素与所述碳基基体形成C
‑
P
‑
O，C
‑
O
‑
P，C
‑
N
‑
F，C
‑
P
‑
N，C
‑
S
‑
O，C
‑
S
‑
P，C
‑
N
‑
O，C
‑
N
‑
B，C
‑
N
‑
P，C
‑
N
‑
S，C
‑
B
‑
O，C
‑
N
‑
O中的一种或多种键合。4.如权利要求3所述的负极材料，其特征在于，所述多种键合同时包含C
‑
P
‑
O，C
‑
P
‑
N两种化学键合；或者同时包含C
‑
P
‑
O，C
‑
N
‑
B两种化学键合；或者同时包含C
‑
P
‑
O，C
‑
P
‑
S两种化学键合，或者同时包含C
‑
P
‑
O，C
‑
S
‑
O两种化学键合。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的负极材料，其特征在于，所述掺杂碳材料中，所述掺杂元素的质量含量小于或等于5％。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的负极材料，其特征在于，形成C
‑
Ma
‑
Mb化学键合的掺杂元素的质量占掺杂元素总质量的比例大于50％。7.如权利要求1
‑
6任一项所述的负极材料，其特征在于，所述掺杂碳材料的中值粒径为1nm
‑
30μm。8.如权利要求1
‑
7任一项所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料由所述掺杂碳材料的一次颗粒或二次颗粒构成。9.如权利要求8所述的负极材料，其特征在于，所述掺杂碳材料一次颗粒的中值粒径为1μm
‑
10μm，所述掺杂碳材料二次颗粒的中值粒径为3μm
‑
30μm。10.如权利要求8或9所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料还包括设置在所述掺杂碳材料的一次颗粒或二次颗粒表面的保护层，所述保护层包括碳层和/或导电聚合物层；所述导电聚合物层包括聚乙炔、聚吡咯，聚噻吩，聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯中的一种或多种。11.如权利要求1
‑
10任一项所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料还包括其他负极活性组分，所述掺杂碳材料与所述其他负极活性组分复合形成复合颗粒。12.如权利要求11所述的负极材料，其特征在于，所述其他负极活性组分包括碳基材料、硅基材料、锡基材料、锗基材料、金属化合物、金属合金中的一种或多种。13.如权利要求11或...

【专利技术属性】
技术研发人员：李政杰，葛传长，周伟，夏圣安，王平华，
申请(专利权)人：上海杉杉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：