[發明專利]一種納米片狀氧化亞硅及其復合負極材料

有效

• 申請號: 202010780626.4
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111969196B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 王星明;王寧;楊娟玉;劉宇陽;桂濤;白雪;王武育;儲茂友;韓滄;段華英
• 申請（專利權）人: 有研資源環境技術研究院（北京）有限公司
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525;C23C16/40;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青

本發明公開了一種納米片狀氧化亞硅及其復合負極材料。該納米片狀氧化亞硅的化學式為SiO_x，其中0.9＜x＜1.1；并且具有納米片狀顆粒形貌；其由激光粒度儀測試的中位粒徑(D50)為100?1000nm，由氮吸附測試的比表面積為50?150m²/g。該納米片狀氧化亞硅顆粒平面方向的平均直徑為100?1000nm，厚度為10?50nm，且所述顆粒平面方向的平均直徑與顆粒厚度的比值大于5。所述復合負極材料包含所述納米片狀氧化亞硅及添加劑，其中納米片狀氧化亞硅在復合負極材料中的質量分數為5?50％。本發明的納米片狀氧化亞硅具有電子、離子傳輸距離短的優勢，在電極充放電過程中能夠保持導電結構穩定。基于該納米片狀氧化亞硅的復合負極材料，可以減少導電組分的用量，在提高導電性和改善循環性能的同時保持高容量。

技術領域

本發明涉及一種納米片狀氧化亞硅及其復合負極材料，屬于新能源材料領域。

背景技術

近年來電動汽車、大規模儲能市場的發展加速了鋰離子動力電池技術的創新。目前市場對高比能量密度鋰離子動力電池需求巨大。然而，傳統石墨負極受限于其較低的理論比容量，已無法滿足電池技術發展的需要。氧化亞硅作為鋰離子電池負極材料，可以滿足高比容量的要求，并且具有較好的循環壽命，因此一直以來受到學術界及產業界的關注。

但是，氧化亞硅負極材料能在商業鋰離子動力電池中應用，尚需提高首周庫倫效率，以及進一步改善循環性能。根據目前的研究成果，氧化亞硅負極材料的充放電機理可以描述為：

4SiO_x+4xLi⁺+4xe^-→(4-x)Si+xLi₄SiO₄..................................(1)

其中反應(2)是單質硅的脫、嵌鋰反應，與硅基負極材料反應機理相同。而反應(1)是氧化亞硅首次嵌鋰時發生的不可逆反應。反應(1)中生成的硅為幾納米大的硅微晶，且均勻分散在電化學惰性的Li₄SiO₄基體中。這種結構一方面可以避免硅微晶在電池循環過程中團聚，另一方面可以緩沖硅微晶在脫、嵌鋰過程中的體積效應。這種結構是氧化亞硅負極材料本征良好循環性能的來源。但同時，反應(1)中生產的電化學惰性的Li₄SiO₄會消耗大量鋰，是造成氧化亞硅首周庫侖效率低的主要原因。

此外，氧化亞硅的導電性很差，根據文獻報道其電導率數量級在絕緣體范圍內(＜10^-12S/cm)，而反應(1)中生產的Li₄SiO₄的離子電導率也不高，僅為10^-10S/cm量級。因此，氧化亞硅負極材料的性能還受其導電能力的影響。導電較差時，電極中極化增加，不僅影響氧化亞硅材料容量發揮，而且導致首周時不可逆反應(1)進行不完全，影響后續循環的庫倫效率。此外，電池循環時負極中氧化亞硅體積變化造成電極結構變化，部分氧化亞硅因失去導電連接失去活性。而較差的導電性能加劇了上述失效模式的影響。