[發明專利]一種改性硅基負極材料及其制備方法和鋰離子電池

有效

• 申請號: 201810472598.2
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN110504441B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 張傳健;李陽興;劉辰光;王平華
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明實施例提供了一種改性硅基負極材料，包括硅基負極材料和設置于所述硅基負極材料表面的改性層，所述改性層包括含磺酸基的硅烷偶聯劑，所述含磺酸基的硅烷偶聯劑包括硅原子，以及與所述硅原子相連的非水解基團和可水解基團，所述磺酸基連接在所述非水解基團的末端，所述含磺酸基的硅烷偶聯劑通過所述可水解基團與所述硅基負極材料形成化學鍵合。該改性硅基負極材料在電池循環過程中表面能均勻生長SEI膜，且能使負極具有良好的離子導電性，從而能夠提高負極的功率性能和循環穩定性。本發明實施例還提供了改性硅基負極材料的制備方法和鋰離子電池。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，特別是涉及一種改性硅基負極材料及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池由于具有較高的能量密度和功率密度、小體積、高安全、環境友好等優勢，已經在消費電子、移動終端、通信儲能等領域得到廣泛應用。尤其是對于智慧手機等移動終端設備，隨著其功能的逐步強大和使用頻率的提高，消費者對于長續航和快充的需求越來越強烈。然而目前鋰離子電池的制程工藝已經達到極限，想要進一步獲得性能的提高只能依靠材料的開發和優化。

負極材料是鋰離子電池實現性能提高的最關鍵材料之一，在眾多新型負極材料中，硅材料的理論比容量為4200mAh/g，是石墨的10倍以上，而且還具有環境友好、儲量豐富等特點，很早就被考慮作為下一代高能量密度鋰離子電池的負極材料，可以提高電芯的能量密度。然而，硅負極材料的缺點也相當明顯，例如：(1)硅負極材料在鋰離子嵌入脫嵌過程中，會產生劇烈的體積膨脹(100％～300％)，在材料內部產生較大的內應力，對材料結構造成破壞，電極材料從集流體上脫落，同時硅表面的SEI膜不斷重復形成-破裂-形成，共同降低了電極的導電性和循環穩定性；(2)硅為半導體材料，嵌鋰過程為合金化反應，而石墨為導體，嵌鋰過程為插入脫出反應，這樣就導致鋰離子在硅中的脫嵌過程動力學比石墨慢，不可逆程度大，進一步降低了其首次庫倫效率；(3)此外硅負極材料作為無機材料，其表面基團與有機電解液相容性較差，即與有機電解液不匹配，電極界面浸潤時間較長且浸潤均勻性差，容易在電池循環過程中造成SEI膜生長不均勻，最終引起容量衰減。

為解決上述問題，目前業界通常在硅負極材料表面進行碳包覆，在硅負極材料和有機電解液之間建立保護界面，該碳包覆層可一定程度上緩解體積膨脹并提高導電性，但是仍然存在與電解液不匹配的問題，且受工藝限制該碳包覆層通常厚薄不均，后續電池循環過程中，這種不均勻包覆會進一步加劇SEI膜生長不均勻從而造成容量衰減。因此，有必要開發一種改性硅基負極材料，其在電池循環過程中表面能均勻生長SEI膜，且具有良好的離子導電性。

發明內容

鑒于此，本發明實施例第一方面提供了一種改性硅基負極材料，其在電池循環過程中表面能均勻生長SEI膜，且具有良好的離子導電性，以解決現有硅基負極材料在電池循環過程中易造成SEI膜生長不均勻，最終引起容量衰減，以及硅基負極材料離子導電性不佳導致首次庫倫效率低的問題。

具體地，本發明實施例第一方面提供了一種改性硅基負極材料，包括硅基負極材料和設置于所述硅基負極材料表面的改性層，所述改性層包括含磺酸基的硅烷偶聯劑，所述含磺酸基的硅烷偶聯劑包括硅原子，以及與所述硅原子相連的非水解基團和可水解基團，所述磺酸基連接在所述非水解基團的末端，所述含磺酸基的硅烷偶聯劑通過所述可水解基團與所述硅基負極材料形成化學鍵合。

本發明第一方面中，所述含磺酸基的硅烷偶聯劑包括三個所述可水解基團，三個所述可水解基團分別選自-Cl、-OCH₃、-OCH₂CH₃、-OC₂H₄OCH₃、-OSi(CH₃)₃、-OOCCH₃中的任意一種，至少一所述可水解基團經水解后與所述硅基負極材料形成化學鍵合，所述非水解基團選自C₁-C₂₀烷基、烷基胺基、酰胺基、C₂-C₂₀烯基、芳基中的任意一種。