[發明專利]一種鋰離子電池硅基負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710839437.8
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN109524626A
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 吳昊;王連邦;鄭麗華
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/485;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

本發明涉及一種鋰離子電池用硅基負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池負極材料領域。該硅基負極材料是由硅和二氧化硅為原材料通過球磨法制備而成，在微觀尺度是由硅和二氧化硅顆粒相互接觸并在三維空間均勻分布的復合材料，兩種顆粒的粒徑為50～300nm。在球磨過程中，兩種原材料在均勻混合的同時顆粒尺寸明顯減小，相對于塊體材料能更有效地釋放嵌鋰產生的應力；同時，二氧化硅在研磨過程中電化學活性得到提高。該負極材料在0.5Ag^?1電流密度下，經過200次循環后容量保持在800～2000mAh g^?1。該復合材料充分發揮了硅材料高比容量和二氧化硅循環穩定性好的特點，將兩者優勢互補，利用二氧化硅材料在嵌鋰過程中產生的不可逆相緩沖硅基材料在充放電過程中的體積膨脹。

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池硅基負極材料，屬于鋰離子電池負極材料領域。

背景技術

自鋰離子電池商品化以來，鋰離子電池就以其能量密度高、循環穩定、方便輕巧等優點迅速占領便攜式電子設備市場；目前，商品化鋰離子電池負極材料主要是石墨，其理論比容量為372mAh g^-1，遠不能滿足人們對于高能量密度電池的需求，急需開發新型高容量低電壓的負極材料。

硅的理論容量高達4200mAh g^-1，且其嵌理電位低，儲量豐富，是理想的下一代鋰離子電池負極材料替代者；然而硅材料脫嵌鋰過程中的巨大體積效應成為阻礙其商業化應用的主要因素。目前對于硅材料的改性主要集中在納米化和復合化兩大類方法。

公開號為CN101850959A的中國專利提供一種鋰離子電池硅碳復合材料的制備方法，該方法將納米硅粉加入到酚單體和醛單體形成的前驅體中，在超聲條件下，硅粉均勻分散到前驅體中，而后在特定氣氛中煅燒得到硅碳復合材料。該方法雖能在一定程度上改善體積效應，但是工藝步驟復雜，不易于推廣生產。

公開號為CN103236517A的中國專利提供了一種硅基負極材料的制備方法，該方法先將一氧化硅高溫煅燒然后將得到的產物通過高能球磨得到二氧化硅包覆的納米硅顆粒。該材料為硅的膨脹提供了必要的空間和緩沖材料，但是該方法的能耗和原料一氧化硅的制備成本均較高。

鑒于上述方法對于硅材料的改性，雖然在一定程度上為硅的膨脹提供了緩沖或是減小了硅的絕對體積膨脹，達到提高其循環穩定性的效果。但是個中存在成本高、能耗高、工藝路線復雜、不適合規模化生產等缺點，因此有必要開發一種新的材料能夠解決硅材料的體積效應并且制備工藝簡單、成本低廉、適合規模化生產。

本發明將硅和二氧化硅通過一步球磨，制備出Si/SiO₂復合材料。在球磨過程中，二氧化硅得到活化。二氧化硅在嵌鋰過程中生成的不可逆相可有效緩沖硅的體積膨脹；硅的加入有效提高了材料整體的容量。通過調控硅和二氧化硅的比例可以達到控制容量和循環穩定性的目的，達到優勢互補。該方法工藝簡單、成本低廉、適合規模化生產。

發明內容

本發明的目的，主要是針對目前硅基負極材料所存在的問題，提出一種新型Si/SiO₂復合材料，通過一步球磨法制備，得到高容量、循環性能穩定的硅基負極材料。

本發明的另一個目的是為提供上述鋰離子電池硅基負極材料優選的制備方法，該制備方法成本低廉，工藝簡單，適合規模化生產。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鋰離子電池用硅基負極材料，所述的鋰離子電池硅基負極材料粒徑為50nm～300nm；是由硅材料和二氧化硅材料通過球磨法制備而成，所述硅材料以Si計與二氧化硅材料以SiO₂計物質的量比為1:0.1～10，所述球磨法為將硅材料和二氧化硅材料在400r/min～1000r/min的轉速下球磨1h～60h，得到所述鋰離子電池硅基負極材料。