[發明專利]一種用于鋰離子電池負極的硅-錫復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510850077.2
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN105375012B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 朱正旺;吳金波;張海峰;王愛民;付華萌;張宏偉;李宏
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

本發明公開了一種用于鋰離子電池負極的硅?錫復合材料及其制備方法，該負極復合材料呈錫纖維纏繞硅顆粒復合結構，由硅、錫兩種元素組成，其中硅含量為20?70at.％，余量為錫。所述負極復合材料的制備方法為，將硅與錫粉末混合，采用高能球磨的方法在氬氣氣氛保護下對混合粉料進行球磨；在高能沖擊下金屬錫顆粒發生劇烈變形、冷焊以及撕裂形成錫纖維；在繼續球磨的過程中，經過高能球磨后形成纖維狀結構的韌性相金屬錫與在球磨過程中經高能撞擊下粉碎細化的硅顆粒復合，形成錫纖維纏繞硅顆粒復合結構。這種新型纖維纏繞包裹型含硅復合材料制備工藝簡單、成本低，同時，該復合材料的結構新穎、獨特，電化學性能優異，具備非常好的應用前景。

技術領域

本發明涉及電化學電源技術領域，具體涉及用于鋰離子電池的含硅復合材料，特別提供一種含硅纖維纏繞包裹型鋰離子電池復合材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池由于具有體積小、質量輕、比能量高、使用壽命長、輸出電壓高、自放電低、環境友好等特點而被喻為21世紀最理想的綠色能源，已廣泛用作航天、軍事、汽車工業、電子設備及生物醫學領域的能源儲備系統。然而，目前商業化鋰離子電池主要采用碳素材料(比如碳，石墨等) 作為負極，其理論嵌鋰容量為372mAh/g，難以滿足大規模電能輸送單元以及電動汽車、混合動力汽車對鋰離子電池高容量和高能量密度的要求。為此，廣大科研工作者不斷努力，試圖尋找可以替代碳素材料的新型負極材料體系。

近年來報道了不少有發展前景的新材料，其中硅材料由于具有巨大的儲鋰容量而備受關注。硅因具有原子量小，比容量高(理論上形成Li₂₂Si₅的比容量達到4200mAh/g)，嵌鋰電位低等優點而引起了科研工作者的廣泛關注。但迄今為止，以硅材料為負極的鋰離子電池其商業化進程受阻，仍未全面進入商品市場，一個主要原因是，在充放過程中，伴隨著鋰離子的嵌入和脫嵌，硅負極材料會發生巨大的體積變化(300％以上)，會引起負極材料的機械分裂(碎裂與粉化)，進而導致電極結構的崩塌，電極材料的剝落而使電極材料與集流體失去電接觸，從而導致容量急速衰減，循環性能急速下降，最后導致電極失效。

針對硅材料在充放電過程中存在的體積膨脹的問題，目前科研工作者提出的解決辦法主要包括有：1)改變材料的結構，制備成不同形貌的材料。例如，線狀、薄膜狀、多孔狀、核殼狀等。研究表明，這些不同結構形貌的硅負極硅材料在充放電過程中，能夠有效減小體積膨脹效應，容量和循環性能都有很大改善；2)合成硅與活性/非活性復合體系。在復合體系中利用“緩沖骨架”來補償硅材料的膨脹，使其保持良好的電接觸。然而，在復合材料的制備方面，往往用到電化學沉積以及磁控濺射等制備方法，這些制備方法工藝復雜，生產效率低，制備成本較高，難以實現大規模的工業化生產。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于鋰離子電池負極的新型硅-錫復合材料及其制備方法。利用工藝操作簡單，生產成本低的高能球磨法制備出結構新穎、獨特，電化學性能優異的復合材料。其基本原理在于利用高能沖擊條件下，延性金屬錫發生冷焊與撕裂而形成纖維狀，并與在球磨過程中經過高能撞擊后粉碎細化的硅顆粒進行復合，硅顆粒部分附著在纖維狀的錫上，部分被纖維狀的錫所纏繞包裹，獲得纖維纏繞包裹型復合材料。高能球磨的制備方法工藝操作簡單、成本低。

本發明的技術方案如下：

一種用于鋰離子電池負極的新型硅-錫復合材料，該復合材料由單質態硅、單質態錫同組成；其中：按原子百分含量計，硅含量為20-70at.％，余量為錫。所述硅-錫復合材料，硅含量優選50at.％。

所述復合材料中，錫為纖維狀，該纖維形成開放式的三維立體纏繞型結構，部分硅顆粒附著在纖維上，部分被纖維狀的錫所纏繞包裹，硅顆粒的大小為10-20μm。