[發明專利]硅碳負極材料及其制備方法、應用和制得的鋰離子電池

有效

• 申請號: 201811645963.1
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN111384378B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 馬飛;吳玉虎;魏良勤;沈龍
• 申請（專利權）人: 上海杉杉科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 薛琦;劉奉麗

本發明公開了一種硅碳負極材料及其制備方法、應用和制得的鋰離子電池。該制備方法包括以下步驟：在氮氣氣氛下，將混合物進行熱處理、破碎處理后得中值粒徑為1～10μm的顆粒；混合物包括氧化亞硅和鋁粉，氧化亞硅與鋁粉的中值粒徑比值為0.2～80，鋁粉占混合物的重量百分比為1～20％；將氣態碳源與所得顆粒進行氣相沉積反應，冷卻即得硅碳負極材料；硅碳負極材料的碳含量為0.5～10wt％。本發明的碳硅負極材料的晶相分布均勻且雜相很少，并且具有較好的導電特性制得的鋰離子電池具有較高的首次可逆比容量低、較高的首次庫倫效率、較低的滿電膨脹率以及較高的50周容量保持率。本發明的制備方法簡單，成本低廉，易于實現規模化生產。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種硅碳負極材料及其制備方法、應用和制得的鋰離子電池。

背景技術

開發和研究新型高容量動力電池負極材料可以解決目前電動汽車(EV)續航里程的短板，有利于新能源汽車的進一步推廣。氧化亞硅材料中含有硅氧化合物，嵌鋰過程中生成的Li₄SiO₄可以作為緩沖物質，因而一般認為其作為負極材料的循環特性優于純硅。但也是由于硅氧化合物與鋰離子的反應消耗了部分正極的鋰，因而首次充放電效率(即首次庫倫效率)較低是其短板。

中國發明專利申請CN103022446A，公布了一種由氧化硅、多孔石墨、金屬還原劑為原料，通過金屬與氧化硅反應生成硅，從而提升材料首次充放電效率的方法。但由于其核心機理是借助于硅氧化合物與金屬還原劑的反應而調整材料結構，金屬粉難以與材料獲得均勻接觸，所生成的硅顆粒尺寸較大；合成過程中加入了大量有機碳源，還原反應的程度、經反應后物相組成及硅的分布均勻性都難以控制，所述制備方法得到的材料并未實質性解決硅材料導電性差的缺陷，因而難以直接應用于鋰離子電池體系。雖然該篇專利申請中提及了體積膨脹效應大大降低，但由于合金還原所生成的硅酸鹽類，導電性差，鋰離子擴散系數低，一般需要再經過酸洗去處，工藝復雜，且去除后形成單質硅，沒有了緩沖介質，其膨脹并不能得到改善。

為了將SiOx作為高容量負極材料獲得工業化應用，目前急需一種針對該材料的改性方法，能夠顯著降低硅氧負極在充放電過程中的不可逆反應，進而提升首次庫倫效率，同時需要獲得較好的循環特性。

莫來石是一系列由鋁硅酸鹽組成的礦物統稱，莫來石的晶相結構是由[AlO₄]和[SiO₄]的四面體沿C軸無序排列組成雙鏈，雙鏈間由[AlO₆]八面體連接。莫來石的特性取決于其微觀組成，而這又取決于其合成工藝。現有市售莫來石一般以α-Al₂O₃和SiO₂或硅灰石為原料，其合成溫度高于1600℃，所得產物的晶相分布較寬且雜相較多雜。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有的鋰離子電池的首次可逆比容量低、首次庫倫效率較低、滿電膨脹較高的缺陷，而提供了一種硅碳負極材料及其制備方法、應用和制得的鋰離子電池。本發明所述碳硅負極材料的晶相分布均勻且雜相很少，并且具有較好的導電特性。由本發明中的硅碳負極材料制得的鋰離子電池具有較高的首次可逆比容量低、較高的首次庫倫效率、較低的滿電膨脹率以及較高的50周容量保持率。本發明的制備方法簡單，成本低廉，易于實現規模化生產。