[发明专利]一种高低温环境下具有高稳定性的硼掺杂改性的软碳包覆负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池领域，公开了一种高低温环境下具有高稳定性的硼掺杂改性的软碳包覆负极材料及其制备方法。本发明以软碳碳源炭化后在负极基材表面形成无定形碳碳层，再通过硼化合物在高温下分解产生氧化硼，控制氧化硼与无定形碳以及负极基材表面进行反应，并在高温下于负极材料表面形成硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。1、通过软碳包覆，能够降低材料在低温下的阻抗，改善吸液性能，提高低温放电电压平台，大大改善材料的低温性能；2、通过硼的催化作用，减少负极材料的表面缺陷提高其石墨化度，从而使比表面积大大降低，较小的比表面积使其在高温下与电解液的副反应减少，高温性能有明显的改善。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种高低温环境下具有高稳定性的硼掺杂改性的软碳包覆负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着对3C数码、动力类电池储能设备的需求不断增长，能源领域特别是锂离子电池和超级电容器吸引了人们的广泛关注。目前工业上广泛应用的锂离子电池负极材料是石墨碳材料，但其使用温度通常在室温25℃左右，在使用温度较低时，锂离子电池的阻抗大大增加，低温放电能力大大降低，近期苹果手机就出现了在过低温度条件下自动关机的报道。而在使用温度较高时，尤其是在赤道等高温区域使用时，负极材料在锂离子的嵌入和脱出过程中很容易与电解液发生副反应，电解液快速消耗，并伴随着气体产生，使锂电池胀气，容量迅速衰减，安全性大大降低，因此扩大锂离子电池的使用温度区间，开发低温性能好而且高温性能好的负极材料至关重要，目前兼顾高温和低温性能的负极材料还未见报道。

石墨负极材料具有优异的导电性、良好的化学稳定性，是作为锂离子电池活性材料的理想碳基体。目前负极材料掺杂改性的研究主要集中在N、P、S等元素，且主要通过热复合反应进行掺杂，但这些元素的掺杂过程在实际生产中难以操作，改性成本比较高，而且这些元素的化合物通常具有挥发性，在生产过程中容易伴随着高污染高危型性气体的产生。比如N元素掺杂，在文献研究中，多采用三聚氰胺作为N元素的掺杂剂，但三聚氰胺分解过程中，会产生氢氰酸气体，具有很大的危险性和污染性，难以大规模应用。

因此，有必要开发出更多新的具有出色高低温稳定性的锂离子负极材料。

发明内容

本发明为了简化负极材料的制备方法，克服负极材料高温性能和低温性能难以兼具的缺点，提供了一种高低温环境下具有高稳定性的硼掺杂改性的软碳包覆负极材料及其制备方法。主要是通过选用软碳碳源，硼化合物作为掺杂剂，通过软碳碳源在高温下分解，在负极材料表面形成一层无定形碳碳层，硼化合物在高温下分解产生氧化硼，氧化硼在高温条件下与无定形碳碳层和负极材料表面的碳进行复合，形成硼碳键和硼碳氧键，减少负极材料表面的缺陷，形成非金属元素硼掺杂改性软碳包覆高低温负极材料。

本发明的具体技术方案为：一种高低温环境下具有高稳定性的硼掺杂改性的软碳包覆负极材料，具有核壳结构，核材料为负极基材，壳材料为包覆于负极基材表面的由软碳碳源为前驱体形成的无定形碳；负极基材表面和无定形碳上还掺杂有由硼化合物为前驱体形成的硼元素；负极材料制备过程中，所述硼化合物、软碳碳源和负极基材的质量比为0.1～15∶1～20∶100。

本发明以软碳碳源作为包覆剂，在高温下炭化，在负极基材表面形成无定形碳碳层，以硼化合物为掺杂剂，通过硼化合物在高温下分解产生氧化硼，控制氧化硼与无定形碳碳层以及石墨表面进行反应，并在高温下在负极材料表面形成硼碳键以及硼碳氧键等复合结构。本发明材料的结构特征在于负极材料表面包覆了一层无定形碳，而且负极表面由原本的缺陷状态形成了一层软碳以及硼碳键、硼碳氧键等复合结构。其技术效果是：

一方面，通过软碳包覆，能够降低材料在低温下的阻抗，改善吸液性能，提高低温放电电压平台，大大改善材料的低温性能。另一方面，能够通过硼的催化作用，减少负极基材的表面缺陷提高其石墨化度，硼与负极基材表面的复合反应，减少负极基材的表面缺陷，从而使其比表面积大大降低，而石墨的比表面积与其高温性能有很大关系，较小的比表面积使其在高温下与电解液的副反应减少，高温性能有明显的改善。