【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池负极材料，尤其涉及一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料及其制备。
技术介绍
1、随着全球对能源问题的关注加剧，先进的能源存储技术在我们的日常生活中扮演着至关重要的角色。锂离子电池(libs)作为这些技术的代表，在过去几十年里被广泛研究。以石墨负极为例，商业化的libs已经接近其理论上的比容量极限(372mah·g-1)。然而，随着电动汽车和便携式电子设备的日益普及，对libs具有更高比能量密度的需求不断增长。研究人员现在正专注于寻找具有更高理论比容量的负极材料，硅(si)作为下一代libs中取代石墨的有力竞争者脱颖而出。si具有高丰度、巨大的理论比容量(3579mah·g-1)和适宜的工作电位(<0.5v相对于li+/li)。
2、然而，基于si的负极面临着巨大的挑战。首先，在锂合金化过程中，si会经历显著的体积变化(约300％)，导致活性材料的粉碎和电接触的丧失。其次，si电极中锂离子的扩散速率低，导致显著的锂离子浓度梯度，在循环过程中锂的提取不完全。此外，si的低电导率(2.52×10-6s·cm-1)使得破碎的碎片绝缘，无法参与后续的充放电循环。最终，由粉碎产生的新鲜表面直接与电解液接触，导致大量消耗形成固体电解质界面(sei)膜，降低了电池的库仑效率。这些缺点共同导致了基于si的负极在工作寿命、库仑效率、倍率性能和其他关键指标方面在libs中表现不佳。
3、为了应对上述挑战，纳米干预已成为缓解硅体积膨胀引起的内应力的有效策略，是维持硅负极正常运行的条件之一。为了
技术实现思路
1、基于解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出了一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料及其制备，所述纳米硅负极材料通过元素掺杂和碳包覆对硅体积膨胀进行抑制，并获得了超高容量和良好的循环稳定性。
2、本专利技术提出一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，包括掺杂纳米硅和包覆在掺杂纳米硅表面的碳包覆层；
3、所述掺杂纳米硅中，掺杂元素弥散分布在纳米硅的内部。
4、本专利技术中，针对硅储锂时导电性能较差的问题，一方面，利用碳的优良导电性，在硅表面形成碳包覆层，不仅抑制了硅的体积膨胀，同时也能提高纳米硅负极材料的循环性能和倍率性能；另一方面，利用掺杂元素在纳米硅内部弥散分布，对纳米硅负极材料实现弥散强化功能，充分提高了硅负极材料的综合力学性能，避免了硅负极材料因应力集中而导致材料粉化破碎，从而提高其循环寿命。
5、优选地，所述掺杂元素为硼，其粒径为3-5nm。
6、优选地，所述纳米硅负极材料的粒径为100-300nm。
7、本专利技术还提出一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：
8、s1、将氧化硅、掺杂元素氧化物、氯化盐和还原剂混合，进行热还原反应，酸洗后，得到掺杂纳米硅；
9、s2、将掺杂纳米硅和有机碳源混合，进行高温碳化后，即得到所述纳米硅负极材料。
10、本专利技术中，以纳米氧化硅和掺杂元素氧化物混合物作为原材，经过金属还原剂还原后，可以同时完成多孔纳米硅的生成，以及掺杂元素对应单质的微量弥散掺杂，此后经过有机碳源碳化形成无定形碳层并紧密包覆在纳米硅表面；一方面，掺杂元素对应单质以弥散相分布在纳米硅中，能够提升锂离子在固态硅中的扩散动力学，降低电极极化，缓解体积效应，从而有助于提高硅材料的比容量、倍率性能和循环稳定性；另一方面，无定形碳层紧密包覆多孔纳米硅，为多孔纳米硅颗粒在脱嵌锂过程中的收缩膨胀提供有效支撑，抑制多孔硅颗粒的粉化，从而提升电极的循环稳定性；总的来说，本专利技术可以充分利用硅基材料的高容量提升负极材料的容量以及循环倍率性能；而其特定结构不仅可以有效缓解充放电过程中硅基材料的体积膨胀，还可以通过材料的多孔结构缩短锂离子扩散路径和增加材料吸液性能提升材料的电化学性能。
11、优选地，步骤s1中，所述掺杂元素为硼，氧化物为氧化硼；
12、本专利技术中，掺杂元素氧化物的粒径优选≤0.5mm，金属还原剂优选为200目或更细的粉末。
13、优选地，所述氧化硅、掺杂元素氧化物中硅:掺杂元素的摩尔比为100-x:x，1≤x≤2。
14、本专利技术中，严格控制掺杂元素的掺杂量，可以降低所得纳米硅负极材料中非活性相的含量，有效优化了其电化学性能；若掺杂元素同样能够储锂，则能够协同硅元素，共同提升性能，使可逆容量获得显著提升。
15、优选地，步骤s1中，所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化铷或氯化铯中的至少一种；所述金属还原剂为镁粉、铝粉或锌粉中的至少一种；
16、优选地，所述纳米氧化硅、氯化盐和金属还原剂的重量比为1:2-5:1.5-2。
17、本专利技术中，金属还原剂稍微过量，优选为按理论计算量的105％倍添加，以防止金属还原剂蒸出导致金属还原剂量不足；氯化盐的用量为氧化物总质量的2-5倍，当氯化盐质量低于此范围时将不能够合成出本专利技术所述纳米硅负极材料的特定结构，高于此范围时则徒增成本；
18、优选地，所述热还原反应的反应釜为不锈钢密闭反应釜，以便减少金属还原剂的挥发。
19、优选地，步骤s1中，所述热还原反应温度为1450-1550℃，时间为2-4h，升温速率为10-30℃/min；
20、本专利技术中，通过控制反应温度，防止颗粒团聚，最终得到掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，并获得优秀的电化学性能。
21、本专利技术中，过快的升温速率会损坏炉子的电阻丝，且升温速率越快，温度控制的精准度越差。
22、优选地，所述酸洗采用盐酸、硫酸、硝酸或氢氟酸中的至少一种，浓度为1-10wt％，酸洗时间为3-6h。
23、本专利技术中，所述酸洗方式采用超声酸洗，超声酸洗采用的溶液为足量且提前除氧的盐酸溶液或氢氟酸溶液。
24、优选地，步骤s2中，所述有机碳源为多巴胺。
25、本专利技术中，利用多巴胺在水溶液中聚合于纳米硅表面形成聚多巴胺的优点，制备出了碳包覆纳米硅负极材料。
26、优选地，所述多本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，包括掺杂纳米硅和包覆在掺杂纳米硅表面的碳包覆层；
2.根据权利要求1所述掺杂相弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述掺杂元素为硼，其粒径为3-5nm。
3.根据权利要求1或2所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述纳米硅负极材料的粒径为100-300nm。
4.一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述掺杂元素为硼，氧化物为氧化硼；
6.根据权利要求4或5所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氯化盐为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化铷或氯化铯中的至少一种；所述金属还原剂为镁粉、铝粉或锌粉中的至少一种；
7.根据权利要求4-6任一项所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述热还原反应温度为1440-1550
8.根据权利要求4-7任一项所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机碳源为多巴胺；
9.根据权利要求4-8任一项所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述高温碳化温度为700-900℃，时间为1-3h。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述纳米硅负极材料或权利要求4-9任一项所述制备方法制备的硅负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，包括掺杂纳米硅和包覆在掺杂纳米硅表面的碳包覆层；
2.根据权利要求1所述掺杂相弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述掺杂元素为硼，其粒径为3-5nm。
3.根据权利要求1或2所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述纳米硅负极材料的粒径为100-300nm。
4.一种掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述掺杂元素为硼，氧化物为氧化硼；
6.根据权利要求4或5所述掺杂元素弥散分布的碳包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述氯化盐为氯化锂、氯化钠...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈安琪，
申请(专利权)人：内蒙古国轩零碳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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