[發(fā)明專利]一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號(hào): CN114388749A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石軼爾;劉東海;陳松
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南中科星城石墨有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發(fā)明提供一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用，所述制備方法包括如下步驟：(1)通過硅烷偶聯(lián)劑對硅基顆粒進(jìn)行改性，得到改性硅基顆粒；(2)將催化溶液和改性硅基顆粒混合，得到混合分散液；所述催化溶液包括質(zhì)子酸和氧化劑的組合；(3)將混合分散液與導(dǎo)電單體的蒸汽進(jìn)行聚合反應(yīng)，得到所述硅基負(fù)極材料。所述制備方法將硅烷偶聯(lián)劑改性和特定的導(dǎo)電單體聚合工藝進(jìn)行結(jié)合，通過氣液界面原位聚合反應(yīng)在硅基顆粒的表面形成均一的導(dǎo)電聚合物包覆層，顯著提升了硅基負(fù)極材料的分散性、均一性和循環(huán)性能，使其充分滿足負(fù)極材料在高性能鋰離子電池中的應(yīng)用需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源問題是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的重要問題之一，清潔能源的研發(fā)和應(yīng)用是解決能源問題的有效途徑。鋰離子電池作為新一代的清潔能源，在儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、便捷設(shè)備等領(lǐng)域的具有舉足輕重的地位，同時(shí)也面臨著高性能和高能量密度的發(fā)展要求。鋰離子電池的性能在很大程度上依賴于正負(fù)極儲(chǔ)能材料的選擇，目前商業(yè)化的電池負(fù)極材料以石墨材料為主，但是石墨材料的理論比容量較低，僅有372mAh/g，很難再有進(jìn)一步地提升，因此極大地限制了鋰離子電池面向高能量密度的發(fā)展。

相比于石墨材料，硅基材料具有明顯的容量優(yōu)勢，硅負(fù)極材料的理論比容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨材料的10倍以上；同時(shí)，硅基材料在自然界的來源豐富，加工成本較低，是更加理想的負(fù)極材料。然而，硅材料在鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用中也遇到了一些挑戰(zhàn)：純硅在嵌鋰后會(huì)發(fā)生300％的體積膨脹，氧化亞硅的體積膨脹也達(dá)到200％，體積膨脹會(huì)造成硅材料粉化、極片結(jié)構(gòu)破壞，最終導(dǎo)致活性材料失去電接觸；而且，硅材料導(dǎo)電性欠佳，倍率性能較差，首周庫倫效率也具有很大的提升空間。因此，抑制體積膨脹、提升效率是硅負(fù)極材料的重要發(fā)展方向。

CN109950492A公開了一種原位復(fù)合制備鋰離子電池碳硅負(fù)極材料的方法，所述方法以氧化石墨烯為碳源，將氧化石墨烯與硅納米粒子混合制成懸浮液，然后向懸浮液中加入抗壞血酸還原氧化石墨烯，噴霧干燥，得到碳硅負(fù)極材料。該方法得到的負(fù)極材料可以克服硅基負(fù)極材料體積膨脹嚴(yán)重的缺陷，但是，石墨烯材料的制備成本高，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，而且負(fù)極材料的比容量也有待提升。

CN111211316A公開了一種導(dǎo)電聚合物聚苯胺包覆多孔硅基負(fù)極材料的制備方法及其產(chǎn)品和應(yīng)用，首先將硅基合金顆粒與苯胺單體混合均勻，加入引發(fā)劑誘導(dǎo)苯胺聚合包覆；再通過酸刻蝕的方法腐蝕硅鋁合金材料，獲得聚苯胺包覆的多孔硅材料。該方法得到的多孔硅材料能夠抑制硅的體積膨脹，但是制備方法中包括酸腐蝕的步驟，酸腐蝕需要用到氫氟酸，操作危險(xiǎn)性大，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的應(yīng)用。

CN108963229A公開了一種高性能硅負(fù)極活性材料及其制備方法，所述硅負(fù)極活性材料包括納米硅顆粒及硅顆粒表面包覆的導(dǎo)電涂層，其制備步驟包括：將導(dǎo)電聚合物、炭材料和成膜樹脂制成導(dǎo)電涂層溶液，將納米硅分散于揮發(fā)性溶劑中并加入增稠劑制備納米硅分散液，然后通過同軸靜電紡絲法制備核殼結(jié)構(gòu)的硅負(fù)極活性材料，并脫除成膜樹脂。該方法的工藝路線十分復(fù)雜，原料和設(shè)備成本高，限制了其在工業(yè)中的規(guī)模化應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)中改善硅基材料體積膨脹的方法以上述工藝為代表，包括利用涂層包覆，或者將硅與碳材料進(jìn)行混合。但是，與碳材料混合的方法會(huì)在一定程度上削弱硅基材料的比容量優(yōu)勢；同時(shí)，硅基材料容易團(tuán)聚，粉體流動(dòng)性低，導(dǎo)致包覆均勻性低下，難以在硅基材料表面形成均勻穩(wěn)定的涂層；而且，涂層包覆后會(huì)導(dǎo)致硅基材料成品結(jié)塊，粒徑大，分散性欠佳，從而影響了鋰離子電池的循環(huán)性能。

因此，開發(fā)一種分散性好、粒徑和成分均一、比容量和循環(huán)性能高的硅基負(fù)極材料及其制備方法，是本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容