[發明專利]一種硅基復合負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201810026308.1
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108365186A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 陳振;王志斌;汪威;程知帆;李紀蓁
• 申請（專利權）人: 湖南立方新能源科技有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 潘俊達

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種硅基復合負極材料及其制備方法，該硅基復合負極材料包括導電基材和硅基顆粒，硅基顆粒之間通過導電基材聯結而形成三維導電網絡結構；導電基材為碳納米管、碳納米纖維、科琴黑和石墨烯中的至少一種；硅基顆粒為SiO_x顆粒和Si_xFe_y顆粒中的至少一種。相比于現有技術，一方面，通過使硅基顆粒結合導電基材，可以有效提高負極材料的電導率，從而無需在負極配方中另外添加導電劑，進而提高了電池的能量密度；另一方面，導電基材具有一定的緩沖性能，可用來吸收因硅基顆粒膨脹和收縮所引起的應力，提高極片的剝離強度，抑制材料的體積膨脹，進而緩解負極片的變形，保證負極片結構的穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種硅基復合負極材料及其制備方法。

背景技術

由于長期無節制的使用傳統的不可再生能源(如煤、石油、天然氣等)給環境造成了一系列的環境污染。因此，開發綠色環保無污染的可再生能源迫在眉睫。可充放電鋰離子電池由于能量密度高、功率密度大、安全環保等優點受到了人們的關注。在過去的二十年中，鋰離子電池在移動電子領域內的應用取得了巨大成功，并被認為是大型儲能設備以及電動汽車電池的最佳選擇。然而大型儲能設備以及動力大電池對鋰離子電池的能量密度以及功率密度具有更高的要求，因此開發具有高比容量的正、負極材料是關鍵。

在負極材料方面，由于傳統的商業化石墨的理論比容量為372mAh·g^-1，且實際應用的材料已達到360mAh/g，因此該類材料在容量上幾乎已無提升空間，已經很難滿足高比能鋰離子電池的需求，因此開發高比容量的負極材料刻不容緩。硅負極材料的理論儲鋰比容量高達4200mAh·g^-1，是商業化石墨負極的10倍，脫/嵌鋰電位低(0～0.45V)與石墨的電壓平臺最為接近，放電平臺長且穩定，并被認為是商業化石墨最具前景的替代材料。

然而，硅負極材料的應用存在以下幾個問題：首先，硅由于具有較高的理論比容量，在脫/嵌鋰過程中存在劇烈的體積效應(體積變化高達300％)，這將會導致電極材料的粉碎，導電網絡的破壞，并與集流體失去導電連接。其次，硅在電化學循環過程中由于體積反復不斷的收縮/膨脹，將會導致硅材料表面形成的固體電解質保護膜(SEI膜)始終處于動態的破壞-重構的狀態，將會造成持續的鋰消耗，最終將會導致電池容量的衰減，很難進行商業化應用及生產。

研究表明，硅負極的膨脹失效很大程度上是由于在硅嵌鋰和脫鋰的過程中巨大的體積膨脹造成Si顆粒產生裂紋和破裂造成的。為了降低硅負極的體積膨脹，人們開發了SiO_x材料，相比于純Si材料，其體積膨脹明顯降低，其與碳復合材料是一種性能較好的硅負極材料，也是目前實際應用較多的一種硅材料，但是該材料在實際使用中仍然存在硅負極失效的問題，研究發現失效與Li⁺嵌入速度和電解液種類，更為關鍵的是與Si負極的微觀結構有密切的關系。