[發明專利]硅負極材料及其制備方法、負極極片和鋰離子電池

在審

• 申請號: 201610235643.3
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN107302082A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 夏圣安;李慧;王平華
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/134
• 代理公司: 北京龍雙利達知識產權代理有限公司11329
• 代理人: 王君,張欣

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，并且更具體地，涉及一種硅負極材料及其制備方法、負極極片以及鋰離子電池。

背景技術

鋰離子石墨負極材料具有循環壽命長、首效高、成本低、環境友好以及易于加工等多種優點，使得該材料在便攜式電子設備、電動車以及儲能領域得到了廣泛的應用，但是石墨的理論容量比較低(約372mAh/g)、與電解液相容性差、倍率特性不好。而硅材料由于具備較高的理論容量(4200mAh/g)、良好的嵌入/脫嵌能力而成為最有前景的新型高效儲鋰負極材料，但是硅材料在鋰離子嵌入/脫出時體積變化超過300％，體積變化時會產生較大的機械應力，導致硅材料容易從負極集流體上脫落，這種體積變化的特點極大地限制了硅材料的應用。中國專利1(201210334388.X)公開了一種核殼結構的鋰離子電池負極用聚苯胺/硅復合材料的制備方法，該復合材料具備雙層核殼結構，核心材料為納米硅，第一層核殼材料為銅和碳，第二層核殼材料為聚苯胺，在第一層核殼材料和第二層核殼材料之間存在空心緩沖體積，這種復合材料通過第一層和第二層核殼材料之間的空心緩沖體積來緩沖硅材料在充放電的過程中的體積變化。但是在該復合材料的制作工藝復雜并且不具備快充性能。

發明內容

本申請提供了一種硅負極材料及其制備方法、負極極片和鋰離子電池，以提高該硅負極材料用作電池負極時的快充性能。

第一方面，提供了一種硅負極材料，所述硅負極材料包括：硅內核以及包覆在所述硅內核表面的緩沖包覆層和第一包覆層，其特征在于，所述第一包覆層為碳材料形成的包覆層，所述碳材料包含下列摻雜元素N、P、B、S、O、F、Cl、H中的至少一種。

通過在硅內核表面摻雜碳材料，利用碳材料中的摻雜元素在碳層中形成晶格缺陷，提高了云電子流動性，降低了儲鋰反應勢壘、增加了儲鋰結合位點，大大地提高了鋰離子遷移速度，提升了儲鋰空間和通道，從而提升了硅負極材料作為電池負極時的快充性能。

結合第一方面，需要指出的是，上述緩沖包覆層為無定形碳材料形成的包覆層，該無定形碳材料的質量為上述硅負極材料質量的0.1％-50％，進一步地，該無定形碳材料的質量為上述硅負極材料質量的0.5％-10％，可選地，該無定形碳材料的質量可以為上述硅負極材料質量的30％、15％、8％和5％。可選地，上述緩沖包覆層還可以為聚吡咯和/或聚噻吩形成的包覆層。

結合第一方面，在上述硅負極材料中，碳材料的質量為該硅負極材料質量的0.1％-50％，進一步地，碳材料的質量為硅負極材料質量的1％-10％，碳材料中的摻雜元素的質量為所述硅負極材料質量的0.1％-10％，可選地，碳材料的質量可以為硅負極材料質量的32％、14％、7％和4％，碳材料的摻雜元素的質量為硅負極材料質量的2％、5％和7％。

結合第一方面，當上述緩沖包覆層是由無定形碳材料形成的包覆層時，上述無定形碳材料和碳材料在硅內核表面形成一個雙層包覆結構，該雙層包覆結構的具體形式有兩種，第一種是無定形碳材料在雙層包覆結構的內層，碳材料在雙層包覆結構的外層，第二種是碳材料在雙層包覆結構的內層，無定形碳材料在雙層包覆結構的外層。

結合第一方面，當緩沖包覆層是由無定形碳材料形成的包覆層時，上述無定形碳材料以及碳材料在硅內核表面形成的包覆層的厚度為0.1-10微米。

結合第一方面，上述緩沖包覆層是由無定形碳材料形成的包覆層，其中，該無定形碳材料是對瀝青、環氧樹脂、酚醛樹脂中的至少一種處理得到的。

結合第一方面，上述硅負極材料中的硅內核包括純硅、氧化物復合硅材料、碳復合硅材料以及雜原子摻雜硅材料中的至少一種，其中，該雜原子摻雜硅材料中包含N、P、S、B、O、F、Cl原子中的至少一種，應理解，雜原子摻雜硅材料是將N、P、S、B、O、F、Cl原子中的至少一種摻雜到硅材料中而得到的。

第二方面，提供了一種硅負極材料的制備方法，所述方法包括：將硅內核材料與無定形碳材料混合，通入保護氣體并在400-1500℃下進行包覆及碳化處理，得到無定形碳材料包覆的材料；將碳材料與所述無定形碳材料包 覆的材料混合，通入所述保護氣體并進行燒結處理，然后在500-1200℃的溫度下保溫1-12個小時，得到內層為無定形碳材料包覆、外層為碳材料包覆的所述硅負極材料，其中，所述碳材料包含摻雜元素N、P、B、S、O、F、Cl、H中的至少一種。

在第二方面中，上述保護氣體包括惰性氣體、氮氣。