權(quán)利要求

1.高循環(huán)硅基負極材料，其特征在于，所述高循環(huán)硅基負極材料包括：多孔氮化物、硅和非金屬摻雜元素; 所述高循環(huán)硅基負極材料通過熱等離子體法制備得到，具體為：由第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料，在高頻等離子體處理設備中電離形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料； 或，所述高循環(huán)硅基負極材料通過硅烷化學氣相沉積法制備得到，具體為:由含非金屬摻雜元素的材料高溫氣化后，通入第二硅源材料的氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料； 所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高循環(huán)硅基負極材料，其特征在于，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間； 所述第一硅源材料包括：硅粉、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種； 所述第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種； 所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高循環(huán)硅基負極材料，其特征在于，所述高循環(huán)硅基負極材料還包括碳包覆層；所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。 4.上述權(quán)利要求1-3任一所述的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法為高頻熱等離子體法，包括： 將多孔氮化物置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料置于所述高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)； 向所述高頻等離子體處理設備通入保護氣置換空氣，開啟所述高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使所述第一硅源材料和所述含非金屬摻雜元素的材料氣化、解離，形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與非金屬摻雜元素沉積到多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料； 其中，所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm -100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間； 所述第一硅源材料包括：硅粉、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種； 所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%； 所述保護氣為氮氣或氬氣，所述保護氣的流量為0.5L/min-3L /min； 所述工作氣為氮氣或氬氣，所述工作氣的流量為0.3L/min-8L/min； 所述載氣為氮氣或氬氣，所述載氣的流量為0.1L/min-1L/min； 所述高頻等離子體處理設備的頻率在1MHz-300MHz之間。 6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括：對所述高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆； 所述碳包覆的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種； 所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。 7.上述權(quán)利要求1-3任一所述的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法為硅烷化學氣相沉積法，包括： 按比例稱取多孔氮化物和含非金屬摻雜元素的材料，將多孔氮化物置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上，將含非金屬摻雜元素的材料置于氣相沉積爐的第二爐腔內(nèi)； 在保護氣氛下或真空氣氛下，將所述第二爐腔的溫度升溫至600℃-1000℃，使所述含非金屬摻雜元素的材料氣化,或直接向所述第二爐腔通入所述含非金屬摻雜元素的材料的氣體; 將第二硅源材料的液體通過載氣鼓泡的形式帶入到所述第二爐腔內(nèi)，和/或直接向所述第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體,得到混合氣源； 將所述混合氣源引入所述第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在所述多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料； 其中, 所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。 8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm -100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間； 所述第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種； 所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%； 所述保護氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛； 向所述第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體的流量為0.1L/min-8L/min； 所述載氣為氮氣或氬氣，所述載氣的流量為0.1L/min-8L/min。 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括：對所述高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆； 所述碳包覆的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種； 所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。 10.負極極片，其特征在于，所述負極極片包括上述權(quán)利要求1-3任一所述的高循環(huán)硅基負極材料。 11.一種鋰電池，其特征在于，所述鋰電池包括上述權(quán)利要求10所述的負極極片。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰電池材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高循環(huán)硅基負極材料及其制備方法和應用。

背景技術(shù)

近年來，隨著下游動力電池行業(yè)對高能量密度負極材料需求的增長，硅基負極材料出貨量快速增長。硅基負極材料理論比容量是石墨的十倍，為下一代負極材料最佳之選。

當前商業(yè)化程度較高的硅基負極材料主要有硅碳復合材料和氧化亞硅復合材料。其中，硅碳復合材料結(jié)合了硅的高比容量和碳材料的高導電、低膨脹、循環(huán)穩(wěn)定等特點，且具有出色的能量密度，受到普遍青睞。

但是硅碳復合材料中，硅在充放電過程中體積膨脹收縮變化（體積膨脹收縮變化高達320%）會產(chǎn)生較大的機械應力，經(jīng)過多次循環(huán)后，硅顆粒會發(fā)生斷裂和粉化，造成負極失效；其次，巨大的體積變化也易導致電極的活性材料與集流體分離，造成性能衰減，同時，會造成固體電解質(zhì)界面膜（SEI）持續(xù)生長，損失活性鋰源，降低電池的庫倫效率。傳統(tǒng)硅碳復合材料的體積膨脹問題限制了其商業(yè)化應用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料及其制備方法和應用，目的是解決硅碳材料的體積膨脹和硅基材料本身導電性能差的問題。通過熱等離子體法或硅烷化學氣相沉積法，以多孔氮化物作為骨架，將硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布在多孔氮化物的孔隙內(nèi)，因多孔氮化物骨架具有韌性，在嵌入鋰離子時，可以抑制硅顆粒膨脹所帶來的擠壓力和沖擊力，有效的保持負極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止膨脹造成的顆粒粉化；而摻雜的非金屬元素具有良好的導電性能，使負極材料的導電性能得到提升，二者的協(xié)同作用實現(xiàn)負極材料的低體積膨脹率、高倍率和高循環(huán)性能。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料，所述高循環(huán)硅基負極材料包括：多孔氮化物、硅和非金屬摻雜元素;

所述高循環(huán)硅基負極材料通過熱等離子體法制備得到，具體為：由第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料，在高頻等離子體處理設備中電離形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料；

或，所述高循環(huán)硅基負極材料通過硅烷化學氣相沉積法制備得到，具體為:由含非金屬摻雜元素的材料高溫氣化后，通入第二硅源材料的氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料；

所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。

優(yōu)選的，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間；

所述第一硅源材料包括：硅粉、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；

所述第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；

所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%。

優(yōu)選的，所述高循環(huán)硅基負極材料還包括碳包覆層；所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種上述第一方面所述的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，所述制備方法為高頻熱等離子體法，包括：

將多孔氮化物置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料置于所述高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)；

向所述高頻等離子體處理設備通入保護氣置換空氣，開啟所述高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使所述第一硅源材料和所述含非金屬摻雜元素的材料氣化、解離，形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與非金屬摻雜元素沉積到多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料；

其中，所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。

優(yōu)選的，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm -100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間；

所述第一硅源材料包括：硅粉、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；

所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%；

所述保護氣為氮氣或氬氣，所述保護氣的流量為0.5L/min-3L /min；

所述工作氣為氮氣或氬氣，所述工作氣的流量為0.3L/min-8L/min；

所述載氣為氮氣或氬氣，所述載氣的流量為0.1L/min-1L/min；

所述高頻等離子體處理設備的頻率在1MHz-300MHz之間。

優(yōu)選的，所述制備方法還包括：對所述高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆；

所述碳包覆的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種；

所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。

第三方面，本發(fā)明實施例提供了一種上述第一方面所述的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，所述制備方法為硅烷化學氣相沉積法，包括：

按比例稱取多孔氮化物和含非金屬摻雜元素的材料，將多孔氮化物置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上，將含非金屬摻雜元素的材料置于氣相沉積爐的第二爐腔內(nèi)；

在保護氣氛下或真空氣氛下，將所述第二爐腔的溫度升溫至600℃-1000℃，使所述含非金屬摻雜元素的材料氣化,或直接向所述第二爐腔通入所述含非金屬摻雜元素的材料的氣體;

將第二硅源材料的液體通過載氣鼓泡的形式帶入到所述第二爐腔內(nèi)，和/或直接向所述第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體,得到混合氣源；

將所述混合氣源引入所述第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在所述多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料；

其中, 所述含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0%-20%。

優(yōu)選的，所述多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 所述多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；所述多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；所述多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間；

所述第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；

所述非金屬摻雜元素占所述硅質(zhì)量的百分比為0.5%-10%；

所述保護氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛；

向所述第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體的流量為0.1L/min-8L/min；

所述載氣為氮氣或氬氣，所述載氣的流量為0.1L/min-8L/min。

優(yōu)選的，所述制備方法還包括：對所述高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆；

所述碳包覆的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種；

所述碳包覆層的質(zhì)量占所述高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。

第四方面，本發(fā)明實施例提供了一種負極極片，所述負極極片包括上述第二方面所述的高循環(huán)硅基負極材料。

第五方面，本發(fā)明實施例提供了一種鋰電池，所述鋰電池包括上述第三方面所述的負極極片。

本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料及其制備方法和應用，目的是解決硅碳材料的體積膨脹和硅基材料本身導電性能差的問題。通過熱等離子體法或硅烷化學氣相沉積法，以多孔氮化物作為骨架，將硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布在多孔氮化物的孔隙內(nèi)，因多孔氮化物骨架具有韌性，在嵌入鋰離子時，可以抑制硅顆粒膨脹所帶來的擠壓力和沖擊力，有效的保持負極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止膨脹造成的顆粒粉化；而摻雜的非金屬元素具有良好的導電性能，使負極材料的導電性能得到提升，二者的協(xié)同作用實現(xiàn)負極材料的低體積膨脹率、高倍率和高循環(huán)性能。

附圖說明

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案做進一步詳細描述。

圖1是本發(fā)明實施例提供的采用高頻熱等離子體法制備的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例1提供的采用硅烷化學氣相沉積法制備的高循環(huán)硅基負極材料的制備方法流程圖。

圖3是本發(fā)明實施例1提供的高循環(huán)硅基負極材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例1提供的高循環(huán)硅基負極材料的組裝的電池和對比例1的硅碳復合材料組裝的電池循環(huán)曲線圖。

具體實施方式

下面通過附圖和具體的實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明，但應當理解為這些實施例僅僅是用于更詳細說明之用，而不應理解為用以任何形式限制本發(fā)明，即并不意于限制本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料，高循環(huán)硅基負極材料包括：多孔氮化物、硅和非金屬摻雜元素。

高循環(huán)硅基負極材料通過熱等離子體法制備得到，具體為：由第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料，在高頻等離子體處理設備中電離形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料。

或高循環(huán)硅基負極材料通過硅烷化學氣相沉積法制備得到，具體為:由含非金屬摻雜元素的材料高溫氣化后，通入第二硅源材料的氣體，再冷卻、沉積成核，得到的以多孔氮化物作為骨架，硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布的高循環(huán)硅基負極材料。

其中，含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)；非金屬摻雜元素占硅質(zhì)量的百分比為0%-20%，優(yōu)選為0.5%-10%。

多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間。

第一硅源材料包括：硅粉、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種。

在可選的方案中，本發(fā)明實施例提供的一種高循環(huán)硅基負極材料還包括碳包覆層；碳包覆層的質(zhì)量占高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。

本發(fā)明實施例提供了一種上述高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，為高頻熱等離子體法，如圖1所示，具體包括以下步驟。

步驟110，將多孔氮化物置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

其中，多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間。

第一硅源材料包括：硅粉、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種。

含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)。

步驟120，向高頻等離子體處理設備通入保護氣置換空氣，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使第一硅源材料和含非金屬摻雜元素的材料氣化、解離，形成溫度在5000K以上的等離子氣體，再通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與非金屬摻雜元素沉積到多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

其中， 保護氣為氮氣或氬氣，保護氣的流量為0.5L/min-3L /min；工作氣為氮氣或氬氣，工作氣的流量為0.3L/min-8L/min；載氣為氮氣或氬氣，載氣的流量為0.1L/min-1L/min。

以上制備方法中，高頻等離子體處理設備的工作頻率可在1MHz-300MHz范圍內(nèi)，優(yōu)選為1MHz-40MHz，工作電壓為100V-150V，電流為80A-180A。本發(fā)明下述各具體實施例是采用DLZ-MA-300-B等離子體發(fā)生器作為高頻等離子體處理設備來實現(xiàn)的。對于不同設備，各種氣體的選用，尤其是流量的設定可能會有所不同，本領(lǐng)域技術(shù)人員均可知曉如何。

等離子體的溫度是指平衡態(tài)等離子體（也稱為熱等離子體）的離子溫度和電子溫度。具體實施例中等離子體的溫度可在5000K-20000K，甚至更高。

本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備方法，為硅烷化學氣相沉積法，如圖2所示，具體包括以下步驟。

步驟210，按比例稱取多孔氮化物和含非金屬摻雜元素的材料，將多孔氮化物置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上，將含非金屬摻雜元素的材料置于氣相沉積爐的第二爐腔內(nèi)。

其中, 多孔氮化物包括：多孔氮化硅、多孔氮化鈦、多孔氮化硼、多孔氮化鎵中的一種或多種; 多孔氮化物的粒徑D 50在500nm-100μm之間；多孔氮化物的孔隙的孔徑在300nm-30μm之間；多孔氮化物的孔隙率在30%-95%之間。

含非金屬摻雜元素的材料包括：一種或多種B、N、P、S、C、As、Se任意一種非金屬摻雜元素的物質(zhì)。

步驟220，在保護氣氛下或真空氣氛下，將第二爐腔的溫度升溫至600℃-1000℃，使含非金屬摻雜元素的材料氣化,或直接向第二爐腔通入含非金屬摻雜元素的材料的氣體。

其中，保護氣氛為氮氣氣氛或氬氣氣氛。

步驟230，將第二硅源材料的液體通過載氣鼓泡的形式帶入到第二爐腔內(nèi)，和/或直接向第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體,得到混合氣源。

其中，第二硅源材料包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、氯硅烷、六甲基二硅烷、三(三甲基硅基)硅烷中的一種或多種；載氣為氮氣或氬氣，載氣的流量為0.1L/min-8L/min；向第二爐腔內(nèi)通入第二硅源材料的氣體的流量為0.1L/min-8L/min。

步驟240，將混合氣源引入第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在多孔氮化物的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

在可選的方案中，通過高頻熱等離子體法或硅烷化學氣相沉積法這兩種制備方法制備得到的高循環(huán)硅基負極材料之后，還可以對高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆。

其中，碳包覆的方法包括：氣相包覆、液相包覆或固相包覆中的一種；碳包覆層的質(zhì)量占高循環(huán)硅基負極材料總質(zhì)量的百分比為0-20%。

本發(fā)明實施例提供的高循環(huán)硅基負極材料可用于負極極片中作為負極活性材料，該負極極片可應用在鋰電池中。

為更好的理解本發(fā)明提供的技術(shù)方案，下述以多個具體實例分別說明本發(fā)明高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及特性。

實施例1

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用高頻熱等離子體法，具體制備過程如下。

1）稱取800g多孔氮化硅、2kg硅粉和270g黑磷，將多孔氮化硅置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將硅粉和黑磷置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

2）向高頻等離子體處理設備通入保護氣氬氣置換空氣，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使硅粉和黑磷氣化、解離，將氣態(tài)硅與含P的等離子體氣態(tài)物質(zhì)通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與摻雜到硅中的P沉積到多孔氮化硅的孔隙中成核并生長,得到高循環(huán)硅基負極材料；其中，工作氣氬氣的流量為1L/min，載氣氬氣的流量為1L/min, 設置高頻等離子體處理設備的頻率為30MHz。

本發(fā)明實施例制備的高循環(huán)硅基負極材料的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

對制備得到的高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆：將800g高循環(huán)硅基負極材料置于回轉(zhuǎn)爐中，在保護氣氛氬氣下升溫至800℃，按體積比2：1通入氬氣和乙炔氣體進行氣相包覆，保溫110min后關(guān)閉有機氣源，降至室溫后出料分級，即得到含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝扣式半電池和全電池進行測試，具體過程如下。

扣式半電池的制備方法：將所得高循環(huán)硅基負極材料、導電添加劑炭黑、粘接劑（質(zhì)量比為1：1的羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠），按照質(zhì)量比95%：2%：3%稱量，用打漿機進行漿料制備，之后進行涂布、烘干、裁片，在手套箱中裝配成電池。使用充放電儀進行恒流充放電模式測試，放電截至電壓為0.005V，充電截至電壓為2V，第一周充放電測試C/10電流密度下進行?？凼诫姵爻跏夹屎涂赡嫒萘繙y試數(shù)據(jù)見表1。

全電池的制備方法：負極極片的制備：將含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料與石墨配置成比容量為450mAg/h的復合體，與導電添加劑，粘接劑，按比例95%：2%：3%稱取并混合；在室溫下，將混合后的材料和溶劑去離子水放入打漿機中，制備漿料；將制備好的漿料均勻涂布于銅箔上，在涂布速度為2.2m/min-3.5m/min之間，涂布機烘道溫度為70-100℃之間；經(jīng)涂布機雙面烘干后得到負極極片。

正極極片的制備：按96%：2%：2%質(zhì)量比稱取鎳鈷錳酸鋰（NMC）三元正極材料、導電劑和粘結(jié)劑后混合；在室溫下，將混合后的材料和溶劑N-甲基吡咯烷酮放入打漿機中，制備漿料；將制備好的漿料均勻涂布于鋁箔上，在涂布速度為2.0m/min-3.0m/min之間，涂布機烘道溫度為90-120℃之間；經(jīng)涂布機雙面涂布烘干后得到正極極片。

電池的制備：將正極片的正極使用鋁極耳作為外露極耳，負極片的負極使用銅鍍鎳極耳作為外露極耳，將制備好的正、負極片與隔膜卷繞成裸體電芯，再通過高頻封工藝采用鋁塑膜將電芯封裝，高溫真空烘烤去除電池中的水分，再注入1摩爾電解液，電解液是LiPF 6與碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯（EC/DMC）的混合溶液，制成電芯，真空封口后，制備得到電池。

測試：使用充放電儀進行恒流充放電模式測試，放電截止電壓為2.75V，充電截止電壓為4.2 V，充放電測試均在5C電流密度下進行。

在5C下，分別在電池300圈滿電和600圈滿電狀態(tài)時，對5組電池進行拆除，取其負極極片，用測厚儀分別測量每組極片的10處不同區(qū)域的厚度，取平均值。在同樣測試條件，測量極片初始狀態(tài)下的厚度平均值。

計算公式為：極片滿電膨脹率=(極片不同圈數(shù)滿電時的平均厚度-極片初始平均厚度)/ 極片初始平均厚度。

本實施例提供的高循環(huán)硅基負極材料的組裝的電池循環(huán)曲線圖，如圖4所示。

本實施例制備的全電池在5C倍率下300圈、600圈負極極片的膨脹率和600圈的循環(huán)容量保持率測試的測試結(jié)果詳見表1。

實施例2

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用硅烷化學氣相沉積法，具體制備過程如下。

1）稱取1kg多孔氮化鈦和240g硫粉，將多孔氮化鈦置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上，將硫粉置于氣相沉積爐的第二爐腔內(nèi)。

2）在氮氣氣氛下，將第二爐腔加熱升溫至600℃，使硫粉氣化。

3）向第二爐腔內(nèi)通入流量為2L/min的乙硅烷,得到混合氣源。

4）將混合氣源通過載氣氮氣引入第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在多孔氮化鈦的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

對制備得到的高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆：將1kg高循環(huán)硅基負極材料置于回轉(zhuǎn)爐中，在保護氣氛下升溫至800℃，按體積比3：2通入氬氣與丙烷和天然氣混合氣體進行氣相包覆，其中丙烷和天然氣體積比為1：1，保溫95min后關(guān)閉有機氣源，降至室溫后出料分級，即得到含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝扣式半電池和全電池進行測試，具體過程同實施例1，測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例3

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用高頻熱等離子體法，具體制備過程如下。

1）稱取900g多孔氮化鎵和180g炭黑，將多孔氮化鎵置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將炭黑置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

2）向高頻等離子體處理設備通入保護氣氬氣置換空氣，向高溫區(qū)通入流量為2L/min的硅烷，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使硅烷和炭黑氣化、解離，將氣態(tài)硅與含C的等離子體氣態(tài)物質(zhì)通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與摻雜到硅中的C沉積到多孔氮化鎵的孔隙中成核并生長,得到高循環(huán)硅基負極材料；其中，工作氣氬氣的流量為1L/min，載氣氬氣的流量為2L/min，設置高頻等離子體處理設備的頻率為4MHz。

使用本實施例制備的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝扣式半電池和全電池進行測試，具體過程同實施例1，測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例4

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用硅烷化學氣相沉積法，具體制備過程如下。

1）稱取800g多孔氮化硅，將多孔氮化硅置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上。

2）在氮氣氣氛下，將第二爐腔加熱升溫至700℃，向第二爐腔內(nèi)通入流量為1L/min的乙炔和流量為3.5L/min的甲硅烷，得到混合物氣源。

4）將混合氣源通過載氣氮氣引入第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在多孔氮化鈦的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1。測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例5

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用硅烷化學氣相沉積法，具體制備過程如下。

1）稱取800g多孔氮化硼，將多孔氮化硼置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上。

2）在氮氣氣氛下，將第二爐腔加熱升溫至500℃，將六甲基二硅烷的液體通過流量0.5L/min的氬氣鼓泡的形式帶入到第二爐腔內(nèi)。

3）將含硅的氣源通過載氣氮氣引入第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在多孔氮化硼的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

對制備得到的高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆：將800g高循環(huán)硅基負極材料與酚醛樹脂按照18:1的比例溶于丙酮，攪拌8小時形成均勻漿料。之后將漿料直接烘干，置于回轉(zhuǎn)爐中，保護氣氛中升溫至1050℃保溫1小時，降溫出料分級后，即得到含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的含碳層包覆的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1。測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例6

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用高頻熱等離子體法，具體制備過程如下。

1）稱取1kg多孔氮化硼和1.5kg硅粉，將多孔氮化鎵置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將1.5kg硅粉置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

2）向高頻等離子體處理設備通入保護氣氬氣置換空氣，向高溫區(qū)通入流量為0.9L/min的氨氣，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使硅粉氣化、解離,氨氣解離，將氣態(tài)硅與含N的等離子體氣態(tài)物質(zhì)通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與摻雜到硅中的N沉積到多孔氮化硼的孔隙中成核并生長,得到高循環(huán)硅基負極材料；其中，工作氣氬氣的流量為0.6L/min，載氣氬氣的流量為0.6L/min，設置高頻等離子體處理設備的頻率為10MHz。

對制備得到的高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆：將1kg高循環(huán)硅基負極材料與石油瀝青按照18:1的質(zhì)量比進行混合，置于高溫爐中，在保護氣氛下850℃保溫105min，降至室溫后出料分級，即得到含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1。測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例7

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用高頻熱等離子體法，具體制備過程如下。

1）稱取800g多孔氮化鎵、2kg三(三甲基硅基)硅烷和290g氯化硒，將多孔氮化鎵置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將三(三甲基硅基)硅烷和氯化硒置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

2）向高頻等離子體處理設備通入保護氣氬氣置換空氣，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使三(三甲基硅基)硅烷和氯化硒氣化、解離，將氣態(tài)硅與含Se的等離子體氣態(tài)物質(zhì)通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與摻雜到硅中的Se沉積到多孔氮化鎵的孔隙中成核并生長,得到高循環(huán)硅基負極材料；其中，工作氣氬氣的流量為5L/min，載氣氬氣的流量為5L/min, 設置高頻等離子體處理設備的頻率為20MHz。

對制備得到的高循環(huán)硅基負極材料進行碳包覆：將800g高循環(huán)硅基負極材料與石墨烯按照22:1的比例溶于乙醇，攪拌7小時形成均勻漿料。之后將漿料直接烘干，置于回轉(zhuǎn)爐中，保護氣氛中升溫至850℃保溫1.5小時，降溫出料分級后，即得到含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的含碳包覆層的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1。測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例8

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用高頻熱等離子體法，具體制備過程如下。

1）稱取1kg多孔氮化硅和180g瀝青，將多孔氮化硅置于高頻等離子體處理設備的冷凝區(qū)，將瀝青置于高頻等離子體處理設備的高溫區(qū)。

2）向高頻等離子體處理設備通入保護氣氬氣置換空氣，向高溫區(qū)通入流量為2L/min的硅烷，開啟高頻等離子體處理設備的等離子體發(fā)生器，電離工作氣，使硅烷和瀝青氣化、解離，將氣態(tài)硅與含C的等離子體氣態(tài)物質(zhì)通過載氣帶入到冷凝區(qū)，使硅與摻雜到硅中的C沉積到多孔氮化硅的孔隙中成核并生長,得到高循環(huán)硅基負極材料；其中，工作氣氬氣的流量為1.5L/min，載氣氬氣的流量為2L/min，設置高頻等離子體處理設備的頻率為8MHz。

使用本對比例制備的高循環(huán)硅基負極材料制作負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1。測試數(shù)據(jù)詳見表1。

實施例9

本實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料的制備過程及性能測試，采用硅烷化學氣相沉積法，具體制備過程如下。

1）稱取1kg多孔氮化鈦和400g三聚氰胺，將多孔氮化鈦置于氣相沉積爐的第一爐腔內(nèi)的基板上，將三聚氰胺置于氣相沉積爐的第二爐腔內(nèi)。

2）將第二爐腔抽真空至70Pa，加熱升溫至900℃，使三聚氰胺氣化。

3）向第二爐腔內(nèi)通入流量為2.2L/min的四氟硅烷,得到混合氣源。

4）將含Si、C、N的混合氣源通入第一爐腔內(nèi)，冷卻沉積在多孔氮化鈦的孔隙中成核并生長，得到高循環(huán)硅基負極材料。

使用本實施例制備的高循環(huán)硅基負極材料制備負極極片并組裝扣式半電池和全電池進行測試，具體過程同實施例1，測試數(shù)據(jù)詳見表1。

為更好的進行對比，我們按照如下方法制備了對比樣本。

對比例1

本對比例提供了一種采用噴霧干燥法制備的傳統(tǒng)硅碳復合材料的制備過程及性能測試。具體制備過程如下。

1）在乙醇體系中，加入硅顆粒、碳源前驅(qū)體、石墨以及抗氧化劑，進行砂磨得到分散液。

2）對該分散液進行噴霧干燥，得到硅碳復合材料。

對制備得到的硅碳復合材料進行碳包覆，具體的,將1kg硅碳復合材料置于回轉(zhuǎn)爐中，在保護氣氛下升溫至850℃，按體積比2：1通入氬氣和乙炔氣體進行氣相包覆，保溫1.5小時關(guān)閉有機氣源，降至室溫后出料分級，即得到含碳包覆層的硅碳復合材料。

使用本對比例制備的含碳包覆層的硅碳復合材料制作負極極片并組裝電池進行測試，具體過程同實施例1，測試數(shù)據(jù)詳見表1。

本對比例提供的硅碳復合材料的組裝的電池循環(huán)曲線圖，如圖4所示，從圖中可以看出，從圖中可以看出，實施例1制備的全電池的循環(huán)容量保持率均高于對比例1的全電池的循環(huán)容量保持率，說明本發(fā)明摻雜了非金屬元素的硅沉積到多孔陶瓷孔隙中得到的高循環(huán)硅基負極材料相較于傳統(tǒng)硅碳復合材料具有更好的循環(huán)性能。

表1是實施例1-9和對比例1制備的負極材料組裝的電池的測試數(shù)據(jù)，扣式半電池的初始效率和可逆容量,全電的300圈、600圈負極極片的膨脹率測試和全電600圈容量保持率測試。

由表1中的測試數(shù)據(jù)對比可知，在相同測試條件下，實施例1-9制備的負極極片的膨脹率均遠遠小于對比例1的硅碳復合材料，這是因為實施例1-9

通過熱等離子體法或硅烷化學氣相沉積法，將硅和非金屬摻雜元素冷卻沉積原位生長在多孔氮化物的孔隙內(nèi)，多孔氮化物的骨架結(jié)構(gòu)具有韌性，在充放電過程中，可以有效抑制硅顆粒的體積膨脹，防止硅顆粒的粉化，并保持負極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時，實施例1-9制備的全電池600圈循環(huán)保持率優(yōu)于對比例1傳統(tǒng)硅基負極材料制備的電池，這是因為本發(fā)明實施例中摻雜的非金屬元素可以彌補硅顆粒導電性差的問題，加速鋰離子的內(nèi)部傳導速率，提高導電性能，從而使得電池具有良好的循環(huán)壽命和快充性能。

本發(fā)明實施例提供了一種高循環(huán)硅基負極材料及其制備方法和應用，目的是解決硅碳材料的體積膨脹和硅基材料本身導電性能差的問題。通過熱等離子體法或硅烷化學氣相沉積法，以多孔氮化物作為骨架，將硅和非金屬摻雜元素均勻內(nèi)嵌分布在多孔氮化物的孔隙內(nèi)，因多孔氮化物骨架具有韌性，在嵌入鋰離子時，可以抑制硅顆粒膨脹所帶來的擠壓力和沖擊力，有效的保持負極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止膨脹造成的顆粒粉化；而摻雜的非金屬元素具有良好的導電性能，使負極材料的導電性能得到提升，二者的協(xié)同作用實現(xiàn)負極材料的低體積膨脹率、高倍率和高循環(huán)性能。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

高循環(huán)硅基負極材料及其制備方法和應用.pdf