【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂电池材料，特别涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、目前，随着动力电池行业的快速发展，对上游材料端的能量密度的要求也越来越高。由于石墨负极的理论克容量较低，硅基负极材料的出货量明显增加。并且，硅基材料还具备储量丰富、环境友好、价格低廉等优势，被视为最有前途的负极材料之一。
2、然而，硅基材料在循环过程中存在巨大的体积膨胀(＞300％)，会造成硅颗粒的破碎，进一步导致电极的粉化；并且，巨大的体积膨胀会使开裂的电极会导致固态电解质界面的不断生长，消耗有限的锂源和电解液，造成电极容量的快速衰退。此外，较低的电导率也进一步限制的硅基材料的商业化应用。
3、现有通过选用多孔陶瓷材料作为骨架结构，将硅或氧化亚硅沉积在多孔陶瓷的孔隙内来制备负极材料，以改善上述硅基材料存在的问题，但是由于多孔陶瓷材料密度低，承受的机械应力有限，脆性较大，容易出现结构崩塌的问题，并且制备多孔/细孔陶瓷材料的工艺复杂，成本较高，将其应用到负极材料的制备中依然受到一定的限制，存在失效的风险。
4、因此，需要开发出一种负极材料，抑制硅基材料体积膨胀的同时还可以提高导电率，改善负极材料的电化学性能，并且成本低可以适应于商业化推广使用。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供了一种硅基负极材料及其制备方法和应用，目的是抑制硅基负极材料在电池循环过程中的体积膨胀，提高材料的导电性能，从而改善锂电池的电化学性能。
2、为此，第一方面，本专利技术实施
3、其中，所述非金属掺杂元素的材料包括：b、p、s、n、c、as、te元素中的一种或多种；
4、所述非金属掺杂元素的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0.5％-15％；
5、所述硅的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为50％-80％。
6、优选的，所述多孔沸石的粒径dv50在500nm-100μm之间；所述多孔沸石孔隙的孔径在0.1nm-10μm之间；所述多孔沸石的孔隙率在30％-95％之间。
7、优选的，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-25％。
8、第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的硅基负极材料的制备方法，所述制备方法包括：
9、步骤s1，多孔沸石的制备，具体为：向含有铝源、硅源和结构导向剂的混合溶液中加入糖源，搅拌使混合溶液凝固，经过干燥后得到干凝胶，之后将干凝胶经过蒸汽辅助晶化处理得到前驱体粉末，再将前驱体粉末在空气气氛下煅烧处理后得到多孔沸石；
10、步骤s2，将上述多孔沸石置于气相沉积炉的第一炉腔内的基板上，将含非金属掺杂元素的材料置于气相沉积炉的第二炉腔内；在保护气氛下，将气相沉积炉中第二炉腔内的温度升至500℃-1500℃，使含非金属掺杂元素的材料气化；在第二炉腔内通过载气将含硅元素的气体引入，得到混合气源；
11、步骤s3，将上述混合气源通入第一炉腔内，冷却沉积在上述多孔沸石的孔隙中，得到硅基负极材料。
12、优选的，所述硅源包括：正硅酸乙酯、正硅酸四丙酯、正硅酸四丁酯、正硅酸四甲酯中的一种或多种；
13、所述铝源包括：三乙醇铝、异丙醇铝、异丁醇铝、氯化铝中的一种或多种；
14、所述结构导向剂包括：聚乙烯吡咯烷酮、氨基树脂、四丙基氢氧化铵中的一种或多种；
15、所述糖源包括：蔗糖、葡萄糖、壳聚糖中的一种或多种；
16、所述硅源、铝源、水和结构导向剂的摩尔比为1:[0.02～0.05]:[15～25]:[0.02～0.1]；
17、所述铝源与所述糖源的摩尔比为[1:5]～[2:1]。
18、优选的，所述干燥的条件具体为：在40℃～90℃的真空干燥箱中干燥8小时～15小时；
19、所述晶化处理的方法具体为：将所述干凝胶在130℃～150℃范围内水热晶化12小时～18小时；
20、所述煅烧的方法，具体为：将前驱体粉末置于高温炉中，在空气气氛下升温至500℃～700℃，保温6小时～10小时，升温速率为3℃/min～5℃/min。
21、优选的，所述保护气氛为氮气气氛或者氩气气氛；所述载气为氮气或者氩气；
22、所述含硅元素的气体包括：甲硅烷、乙硅烷、氯硅烷、四氟硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷中的一种或多种。
23、优选的，所述制备方法还包括：对所述硅基负极材料进行碳包覆；
24、所述碳包覆的方法包括：气相包覆、液相包覆或固相包覆中的一种；
25、所述碳包覆层的质量占所述高性能硅氧硅基负极材料总质量的百分比为0-25％。
26、第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极极片，所述负极极片包括上述第一方面所述的硅基负极材料。
27、第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第三方面所述的负极极片。
28、本专利技术实施例的目的是提供了一种硅基负极材料及其制备方法和应用。本专利技术硅基负极材料是以多孔沸石为骨架，将硅和非金属掺杂元素均匀地沉积在多孔沸石的孔隙内，其中，多孔沸石具备良好的机械强度，可以缓冲硅颗粒因体积膨胀产生的应力，避免材料结构崩塌，而掺杂的非金属元素可以有效提高负极材料的导电性；此外，由于多孔沸石的孔隙率较大，吸附能量较强，可以更高效吸附硅和非金属掺杂元素沉积到其孔隙中，从而提高加工效率和沉积质量。
29、将本专利技术硅基负极材料应用于锂电池中，可以使锂电池具备较长的循环寿命、较高的比容量和良好的导电性。
30、本专利技术实施例提供的一种硅基负极材料的制备方法，制备方法简单，成本低，可适用于规模化生产。
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1.一种硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包括：多孔沸石，以及沉积在所述多孔沸石的孔隙中的硅和非金属掺杂元素；
2.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述多孔沸石的粒径Dv50在500nm-100μm之间；所述多孔沸石孔隙的孔径在0.1nm-10μm之间；所述多孔沸石的孔隙率在30％-95％之间。
3.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-25％。
4.一种上述权利要求1-3任一所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硅源包括：正硅酸乙酯、正硅酸四丙酯、正硅酸四丁酯、正硅酸四甲酯中的一种或多种；
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的条件具体为：在40℃～90℃的真空干燥箱中干燥8小时～15小时；
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气气氛或者氩气气氛；所述载气为氮气或者氩气；p>
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：对所述硅基负极材料进行碳包覆；
9.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括上述权利要求1-3任一所述的硅基负极材料。
10.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括上述权利要求9所述的负极极片。
...【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包括：多孔沸石，以及沉积在所述多孔沸石的孔隙中的硅和非金属掺杂元素；
2.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述多孔沸石的粒径dv50在500nm-100μm之间；所述多孔沸石孔隙的孔径在0.1nm-10μm之间；所述多孔沸石的孔隙率在30％-95％之间。
3.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-25％。
4.一种上述权利要求1-3任一所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩林，殷营营，刘柏男，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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