[發明專利]硅基負極材料和鋰離子電池

有效

• 申請號: 202011157895.1
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112310372B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 鐘澤欽;萬遠鑫;孔令涌;任望保;朱成奔;張於財;黃少真
• 申請（專利權）人: 深圳市德方納米科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/485;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 熊永強

本申請提供了一種硅基負極材料，包括硅基內核和設置在硅基內核上的殼層，硅基內核包括SiO_x和分散在SiO_x中的硅微晶，其中，0.9≤x≤1.3，且沿所述硅基內核表層到所述硅基內核中心的方向上，硅微晶的分布密度逐漸減小，殼層包括碳層。該硅基負極材料具有高容量和較低的體積膨脹效應，將其應用于非水電解質二次電池中能夠提高電池容量和循環性能。本申請還提供了一種鋰離子電池用硅基負極材料的制備方法。

技術領域

本申請涉及鋰離子電池領域，具體涉及一種硅基負極材料和鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池是新一代的綠色高能電池，由于其具有較高的工作電壓與能量密度、較小的自放電水平、無記憶效應、無鉛鎘等重金屬污染、超長的循環壽命等優點，因而能夠廣泛應用于手機、ipad、筆記本電腦、汽車等產品中。鋰離子電池負極作為鋰離子電池的重要組成部分，影響著鋰離子電池的比能量及循環壽命。

硅因為具有超高的理論比容量和較低的脫鋰電位被認為是最有潛力的新型鋰離子電池負極之一。然而硅在脫嵌鋰的過程中存在嚴重的體積效應(體積膨脹率可高達300％)，導致負極材料發生結構粉化、可逆容量降低、鋰離子電池的循環穩定性能下降等問題，從而阻礙了硅基負極材料在鋰離子電池中的應用。為解決上述問題，有必要提高硅基負極材料的循環穩定性能。

發明內容

鑒于此，本申請提供了一種新型結構的硅基負極材料，該硅基負極材料具有高容量和較低的體積膨脹效應，將其應用于非水電解質二次電池中能夠提高電池容量和循環性能。本申請還提供了一種鋰離子電池用硅基負極材料的制備方法。

本申請第一方面提供了一種硅基負極材料，所述硅基負極材料包括硅基內核和設置在所述硅基內核上的殼層，所述硅基內核包括SiO_x和分散在所述SiO_x中的硅微晶，其中，0.9≤x≤1.3；且沿所述硅基內核表層到所述硅基內核中心的方向上，所述硅微晶的分布密度逐漸減小；所述殼層包括碳層。

本申請中的硅基負極材料，通過將硅微晶設置為沿硅基內核表層到硅基內核中心的方向上分布密度逐漸減小的結構，可以有效緩解硅微晶在嵌鋰過程中產生的體積膨脹效應，防止硅基內核中心的應力集中，從而抑制硅基負極材料破碎，有效保證了鋰離子電池的循環壽命；硅基內核中的SiO_x能夠分散硅微晶的體積膨脹產生的應力，從而形成穩定結構的硅基負極材料；碳層一方面可以增強硅基負極材料的導電性，另一方面碳層起到緩沖骨架的作用，能夠削弱硅微晶體積膨脹對硅基負極材料的影響，增強硅基負極材料的結構穩定性。

可選地，所述硅基內核表層所述硅微晶的分布密度D_out和由所述硅基內核表層起往硅基內核中心方向深度500nm處所述硅微晶的分布密度D_in的比值為0≤D_in/D_out＜1。

可選地，所述硅基負極材料的任意剖面中，所述硅微晶的總面積占所述硅基內核總面積的1％-20％。

可選地，所述硅微晶通過Si(111)衍射峰及其半高峰寬，利用Scherrer公式計算硅微晶尺寸在1nm-20nm范圍內。

可選地，所述SiO_x的中位粒徑D50為1μm-10μm，D10/D50≥0.3，D90/D50≤2。

可選地，沿所述硅基內核表層到所述硅基內核中心的方向上，所述硅微晶的尺寸逐漸減小。

可選地，所述殼層還包括設置在所述碳層上的聚合物層，所述聚合物層包括聚合物。