[發明專利]硅負極材料、其制備方法及包括其的鋰離子電池

在審

• 申請號: 202011257852.0
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112490423A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 褚光輝;余劍琳;馬美品;蔡惠群;李海軍
• 申請（專利權）人: 銀隆新能源股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 白雪

本發明提供了一種硅負極材料、其制備方法及包括其的鋰離子電池。該硅負極材料為核殼結構，其中核層為納米硅球，殼層為具有雙連續相結構的TiO₂/C復合層。本發明提供的硅負極材料解決了硅基負極材料導電性能差和循環性能差等問題，對所生產的設備要求不高、環境友好且適合工業化。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，具體而言，涉及一種硅負極材料、其制備方法及包括其的鋰離子電池。

背景技術

近年來，鋰離子電池由其工作電壓高、自放電效應小、循環壽命長無記憶效應以及環境友好等優點，而被廣泛應用于電子器件、電動汽車和儲能電站中。而目前商業化的鋰離子電池負極材料主要是采用石墨類電極材料，但其理論的比容量只有372mAh/g，無法日益增長的能量需求。

硅基負極材料的理論比容量高達4200mAh/g,是石墨類負極容量的10余倍，且儲量豐富，來源廣泛，被認為是目前最佳負極材料的候選物。但硅基負極材料在脫/嵌鋰過程中，存在嚴重的而體積效應，體積膨脹可達300％多，從而造成材料的結構坍塌與導電基體失去接觸，同時在SEI膜不斷形成和分解過程中，消耗大量鋰離子，最終導致硅基材料的容量迅速衰減。通過在硅材料的表面包覆一層材料可在一定程度能支撐其結構，改善硅基負極材料的電化學性能。

現有技術中，公開號為CN108878815A，公開日期為2018.11.23的中國專利中公開了一種復合型鋰電池負極材料及其制備方法，通過采用納米非金屬基體、金屬摻雜劑、無機硅鹽、聚偏氟乙烯、改性劑、碳化調節劑、導電劑、粘接劑、多巴胺制備出一種復合型負極材料。雖然該材料能在一定程度上改善電化學性能，提高材料的的導電率。但是依然存在一些問題，即該方法對材料所發生的副反應抑制效果不夠明顯，在充放電循環過程中會持續消耗電解液，導致循環性能不好。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種硅負極材料、其制備方法及包括其的鋰離子電池，以解決現有技術中的硅負極材料循環性能差的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種硅負極材料，其為核殼結構，其中核層為納米硅球，殼層為具有雙連續相結構的TiO₂/C復合層。

進一步地，TiO₂/C復合層中TiO₂和C之間的重量比為(4～5):(3～4)。

進一步地，殼層的厚度為50～200nm。

進一步地，納米硅球的粒徑為100～500nm。

根據本發明的另一方面，還提供了一種上述硅負極材料的制備方法，其包括以下步驟：S1，將有機鈦源、有機碳源和有機溶劑混合，形成第一混合液；S2，將納米硅球加入并分散在第一混合液中，然后加入水解穩定劑，形成第二混合液；S3，將第二混合液進行水熱反應，冷卻，得到前驅體；S4，在惰性氣氛下將前驅體進行煅燒，得到硅負極材料。

進一步地，有機鈦源為四異丙醇鈦、鈦酸丁酯、鈦酸四乙脂中的一種或多種；優選地，有機碳源為聚乙烯吡咯烷酮、苯胺、聚丙烯脂、聚乙烯醇中的一種或多種。

進一步地，步驟S1中，有機鈦源與有機碳源之間的重量比為(3～5):1，有機溶劑為無水乙醇和去離子水的混合溶劑，優選無水乙醇和去離子水的體積比為(1～2):1；優選地，有機鈦源和有機碳源在第一混合液中的質量濃度為20～35％。

進一步地，步驟S2中，納米硅球與有機碳源的重量之比為(1.5～2.5):1；優選地，水解穩定劑與有機鈦源的體積之比為(2.5～3.5):1。

進一步地，步驟S3中，將第二混合液以5～10℃/min的速度升溫至150～180℃，保溫10～15h以進行水熱反應；待反應完畢后，冷卻至室溫，再過濾、洗滌、干燥，得到前驅體；優選地，步驟S4中，將前驅體以5～10℃/min的速度升溫至700～800℃，保溫3～5h以進行煅燒過程。