本發(fā)明涉及電極材料的，尤其是涉及一種高倍率硅碳負極材料及其制備方法、應用。

背景技術：

1、隨著消費類電子產品、新能源汽車和電動飛行器的發(fā)展，市場對高能量密度和快充型電極材料的需求越來越迫切。石墨負極材料的理論克容量僅有372ma·h/g，硅材料具有4200ma·h/g的理論克容量，在室溫下合金化形成li15si4，克容量可達到3579ma·h/g，所以將硅材料運用于電池負極，能夠大幅度提高電池的能量密度。

2、硅材料雖然具有高克容量，但是也具有巨大的充電體積膨脹，過大的體積膨脹容易導致顆粒破裂，使負極容量迅速衰減，導致電池循環(huán)性能不足；同時，硅作為半導體材料，具有較大的阻抗，高倍率充放電過程容易產生較大極化，這限制了其在終端產品的應用。

3、目前，硅負極材料的應用大多是在勻漿過程中加入特殊導電劑和粘結劑，從而達到降低阻抗和限制膨脹的效果，但硅材料內部的阻抗和膨脹并未得到明顯改善。

4、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種高倍率硅碳負極材料，充放電阻抗較小，充電體積膨脹較小，具有較高的首次可逆容量和較高的首次效率，有利于提高鋰離子二次電池的倍率性能和能量密度。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種高倍率硅碳負極材料的制備方法，工藝簡單，適合工業(yè)化生產，能夠降低負極材料的充放電阻抗，也能夠使負極材料具有較低的充電體積膨脹。

3、本發(fā)明的目的之三在于提供一種高倍率硅碳負極材料的應用，能夠有效提高鋰離子二次電池的倍率性能和能量密度，取得了突出的應用效果。

4、為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術方案：

5、第一方面，一種高倍率硅碳負極材料，包括多孔碳內核、納米硅顆粒和有機裂解碳包覆層；

6、所述多孔碳內核包含有導電碳添加劑、氮元素和磷元素；

7、所述納米硅顆粒分散于多孔碳內核的內部孔隙和外表面孔隙；

8、所述導電碳添加劑穿插于納米硅顆粒和多孔碳內核的間隙中；

9、所述氮元素以吡啶氮、吡咯氮和/或石墨氮的形式存在于多孔碳內核中；

10、所述磷元素以分子和/或原子水平分布在多孔碳內核中；

11、所述有機裂解碳包覆層分布在多孔碳內核的孔隙和外表面。

12、進一步的，所述導電碳添加劑在硅碳負極材料中的占比為0.01wt%~1wt%；

13、優(yōu)選地，所述氮元素和磷元素在硅碳負極材料中的總占比為0.01wt%~1wt%；

14、優(yōu)選地，所述硅碳負極材料的平均粒度d50為0.5μm~5μm。

15、進一步的，所述導電碳添加劑包括零維導電碳、一維導電碳以及二維導電碳中的至少一種；

16、優(yōu)選地，所述零維導電碳的尺寸為0.1nm~100nm；

17、優(yōu)選地，所述一維導電碳的直徑為0.1nm~50nm，長度為100nm~2000nm；

18、優(yōu)選地，所述二維導電碳的厚度為0.1nm~10nm，直徑為100nm~500nm。

19、進一步的，所述硅碳負極材料的孔容在0.01cm3/g以下；

20、優(yōu)選地，所述硅碳負極材料的最可幾孔徑在3nm以下；

21、優(yōu)選地，所述硅碳負極材料的比表面積不超過5m2/g。

22、進一步的，所述納米硅的晶粒尺寸在2nm以下；

23、優(yōu)選地，所述納米硅在硅碳負極材料中的占比為10wt%~90wt%；

24、優(yōu)選地，所述有機裂解碳包覆層在硅碳負極材料中的占比為0.1wt%~10wt%。

25、第二方面，一種上述任一項所述的硅碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：

26、硬碳前驅體進行熱解碳化，得到多孔碳，取所述多孔碳吸附硅烷類化合物，隨后使所述硅烷類化合物在多孔碳內熱解沉積納米硅顆粒，之后在多孔碳內核的孔隙和外表面包覆有機裂解碳層，得到所述硅碳負極材料；

27、其中，所述硬碳前驅體內部摻雜有導電碳添加劑、氮元素以及磷元素。

28、進一步的，所述硬碳前驅體的制備方法包括以下步驟：

29、可溶性生物質原料與導電碳添加劑、氮元素化合物、磷元素化合物以及水進行混合反應，使所述生物質原料脫水聚合，得到所述硬碳前驅體；

30、其中，所述生物質原料包括單糖、二糖以及多糖中的至少一種；

31、所述混合反應的溫度為150℃~375℃。

32、進一步的，所述熱解碳化的溫度為400℃~1000℃，熱解碳化的時間為1h~12h。

33、進一步的，所述硅烷類化合物熱解的溫度為400℃~700℃，熱解的時間為1h~12h。

34、第三方面，一種上述任一項所述的硅碳負極材料在鋰離子二次電池中的應用。

35、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

36、本發(fā)明提供的高倍率硅碳負極材料，該硅碳負極材料內部包含導電碳添加劑、氮元素以及磷元素，導電碳添加劑、氮元素和磷元素及其特定含量能夠有效降低負極材料的充放電阻抗，而且該硅碳負極材料具有較小的平均粒度（平均粒度d50為0.5μm~5μm），配合較小的硅晶粒尺寸（例如晶粒尺寸在2nm以下），能夠顯著降低充電體積膨脹，還具有較高的首次可逆容量和較高的首次效率，因此有利于提高鋰離子二次電池的倍率性能和能量密度。

37、本發(fā)明提供的高倍率硅碳負極材料的制備方法，不僅工藝簡單，成功率高，適合工業(yè)化生產，而且能夠有效降低負極材料的充放電阻抗，也能夠使負極材料具有較低的充電體積膨脹。

38、本發(fā)明提供的高倍率硅碳負極材料的應用，能夠有效提高鋰離子二次電池的倍率性能和能量密度，取得了突出的應用效果。

技術特征：

1.一種高倍率硅碳負極材料，其特征在于，包括多孔碳內核、納米硅顆粒和有機裂解碳包覆層；

2.根據(jù)權利要求1所述的硅碳負極材料，其特征在于，所述導電碳添加劑在硅碳負極材料中的占比為0.01wt%~1wt%；

3.根據(jù)權利要求1所述的硅碳負極材料，其特征在于，所述導電碳添加劑包括零維導電碳、一維導電碳以及二維導電碳中的至少一種；

4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的硅碳負極材料，其特征在于，所述硅碳負極材料的孔容在0.01cm3/g以下；

5.根據(jù)權利要求1所述的硅碳負極材料，其特征在于，所述納米硅的晶粒尺寸在2nm以下；

6.一種權利要求1-5任一項所述的硅碳負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述硬碳前驅體的制備方法包括以下步驟：

8.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述熱解碳化的溫度為400℃~1000℃，熱解碳化的時間為1h~12h。

9.根據(jù)權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述硅烷類化合物熱解的溫度為400℃~700℃，熱解的時間為1h~12h。

10.一種權利要求1-5任一項所述的硅碳負極材料在鋰離子二次電池中的應用。

技術總結
本發(fā)明提供了一種高倍率硅碳負極材料及其制備方法、應用，涉及電極材料的技術領域，硅碳負極材料包括多孔碳內核、納米硅顆粒和有機裂解碳包覆層；其中，多孔碳內核包含有導電碳添加劑、氮元素和磷元素；納米硅顆粒分散于多孔碳內核的內部孔隙和外表面孔隙；導電碳添加劑穿插于納米硅顆粒和多孔碳內核的間隙中；氮元素以吡啶氮、吡咯氮和/或石墨氮的形式存在于多孔碳內核中；磷元素以分子和/或原子水平分布在多孔碳內核中；有機裂解碳包覆層分布在多孔碳內核的孔隙和外表面。本發(fā)明解決了硅碳負極材料存在阻抗大和膨脹效應大的技術問題，達到了提高導電性、降低充放電阻抗、降低充電體積膨脹，以及提高電池倍率性能和能量密度的技術效果。

技術研發(fā)人員：陳厚富,胡亮,梅海龍,鄺群峰
受保護的技術使用者：贛州立探新能源科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23