[发明专利]一种锂离子电池用硼掺杂硅基负极材料

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池用硼掺杂硅基负极材料。

背景技术

近年来，随着锂离子电池在电动工具、电动/混动汽车、储能电站等大功率设备应用上的不断拓展，传统石墨负极(372mAh/g)已经很难满足人类对高能量密度电池的需求，因此寻找可以替代石墨的下一代锂离子电池负极材料成为目前锂离子电池相关研究的热点之一。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，其资源丰富，且不会与电解液发生溶剂共嵌入现象，同时嵌锂电位较高，更加安全。然而硅极材料在充放电过程中会经历高达300％的体积变化，如此高的体积膨胀收缩，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触等缺陷；同时体积变化还会带来新表面的产生，需要形成新的固体-电解质界面(SEI)，从而导致对电解液的大量消耗，进而导致电池循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。

目前学术界主要通过纳米化、与惰性相复合、造孔等手段优化材料结构以期提升其电化学性能。如houd等(Chou S,Wang J,Choucair M,et al.Enhanced reversible lithium storage in a nanosize silicon/graphene composite[J].Electrochemistry Communications,2010,12(2):303-306.)通过简单的液相法制备了硅/石墨烯复合材料，首次可逆容量达2158mAh/g。Kim等(Jo Y N,Kim Y,Kim J S,et al.Si-graphite composites as anode materials for lithium secondary batteries[J].Journal of Power Sources,2010,195(18):6031-6036.)用机械球磨的方法制备了硅/石墨/无定型碳材料，材料导电性好，首次库伦效率高达86.4％。Liu等(Liu N,Lu Z,Zhao J,et al.A pomegranate-inspired nanoscale design for large-volume-change lithium battery anodes[J].Nat Nanotechnol,2014,9(3):187-192.)采用聚合物裂解的方法制备一种石榴石结构纳米硅基复合材料。纳米硅团簇颗粒表面包覆一层树脂热解碳。这种材料在1A/g电流密度下首次可逆比容量达2350mAh/g。但是这些方法均是采用碳材料或导电聚合物来提高硅基材料的电子导电性，但并没有提高硅材料本征的电子电导率。

发明内容

为了解决上述硅材料本身的电子导电率较低的现象，本发明提供了一种锂离子电池用硼掺杂硅负极材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池用硼掺杂硅基负极材料，所述硼掺杂硅基负极材料是由硼掺杂纳米硅材料与石墨复配而成，其中硼掺杂纳米硅材料的质量百分比为3-100％，石墨为余量。

进一步方案，所述硼掺杂纳米硅材料是将硅与三氧化二硼混合均匀后进行研磨，然后置于通有惰性气氛的管式炉中进行烧结；最后置于碱溶液中浸泡10min-60min后，洗涤、过滤并干燥所得。

更进一步方案，所述硅为硅纳米颗粒、硅纳米管、硅纳米线、硅纳米薄膜中的一种或几种。

进一步方案，所述硅与三氧化二硼的混合方式为液相混合、机械研磨、行星式球磨、高能球磨中的一种或几种。

进一步方案，所述三氧化二硼的质量占硅质量的1％-10％。

进一步方案，所述烧结温度为800℃-1200℃，升温速度为5℃/min-20℃/min，烧结时间为1-12h。

进一步方案，所述碱溶液为NaOH溶液、KOH溶液、Ba(OH)₂溶液、Ca(OH)₂溶液中的一种或几种。

进一步方案，所述石墨为天然石墨、人造石墨或中间相碳微球。

进一步方案，所述硼掺杂硅基负极材料是将硼掺杂纳米硅材料喷雾干燥造粒后与石墨混合而成，或是将硼掺杂纳米硅材料与石墨混合后再喷雾造粒而成。

本发明的硼掺杂硅基负极材料是由硼掺杂的纳米硅材料与根据容量需要提供一定比例并起到缓冲膨胀作用的石墨材料复配而成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：