[發(fā)明專利]硅氧顆粒及其制備方法、負(fù)極材料和電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011434907.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-10
• 公開（公告）號(hào): CN112687851A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張和寶;王岑;李喆;羅姝;查道松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安普瑞斯（南京）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;C01B32/05;C01B32/956;C01B33/18;B82Y30/00
• 代理公司: 北京律和信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11446
• 代理人: 冷文燕;項(xiàng)榮

本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒，硅氧顆粒為硅氧一次顆粒或硅氧二次顆粒，硅氧顆粒包括：內(nèi)核顆粒，包括硅氧化合物基質(zhì)及單質(zhì)納米硅顆粒，內(nèi)核顆粒中硅氧含量摩爾比如下：氧元素/硅元素＝X，0.5≤X≤1.5；碳化硅殼層，包覆內(nèi)核顆粒，構(gòu)成具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒；碳層，包覆單個(gè)或多個(gè)具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒；其中，硅氧顆粒料堆的休止角≤40°，優(yōu)選為≤30°，更優(yōu)選為≤20°；硅氧顆粒料堆的固液界面接觸角≥45°，優(yōu)選為≥90°，更優(yōu)選為≥100°。本申請(qǐng)所提供的硅氧顆粒用于電池，具有低膨脹率、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命、高容量、高庫倫效率等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及電池領(lǐng)域，具體地，涉及一種具核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒及其制備方法、負(fù)極材料和電池。

背景技術(shù)

由于近年來各種便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)于能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池的需求日益迫切。目前商業(yè)化的鋰離子電池的負(fù)極材料主要為石墨，但由于理論容量低，限制了鋰離子電池能量密度的進(jìn)一步提高。由于硅負(fù)極材料具有其它負(fù)極材料無法匹敵的高容量?jī)?yōu)勢(shì)，近些年來成為了研發(fā)熱點(diǎn)，并逐漸從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)走向商業(yè)應(yīng)用。其中，單質(zhì)硅負(fù)極材料在嵌脫鋰過程中存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)，體積變化率約為300％，會(huì)造成電極材料粉化以及電極材料與集流體分離。另外，由于硅負(fù)極材料在電池充放電過程中不斷地膨脹收縮而持續(xù)破裂，產(chǎn)成的新鮮界面暴露于電解液中會(huì)形成新的SEI膜，從而持續(xù)消耗電解液，降低了電極材料的循環(huán)性能。硅氧化合物理論容量約為1700mAh/g，雖然其容量低于單質(zhì)硅負(fù)極材料，但其膨脹率和循環(huán)穩(wěn)定性均有明顯優(yōu)勢(shì)，相比單質(zhì)硅來說更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

背景技術(shù)部分的內(nèi)容僅僅是公開人所知曉的技術(shù)，并不代表本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒，該種硅氧顆粒用于電池當(dāng)中，具有膨脹率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量高、庫倫效率高等優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)本申請(qǐng)一個(gè)方面，所述硅氧顆粒為硅氧一次顆粒或硅氧二次顆粒，所述具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒包括：

內(nèi)核顆粒，包括硅氧化合物基質(zhì)及單質(zhì)納米硅顆粒，其中所述單質(zhì)硅納米顆粒的中值粒徑D50在0.1～25nm之間，優(yōu)選為0.3～15nm，所述內(nèi)核顆粒中硅氧含量摩爾比如下：氧元素/硅元素＝X，0.5≤X≤1.5，優(yōu)選地為0.8≤x≤1.2，更優(yōu)選地為0.9≤x≤1.1；

碳化硅殼層，包覆所述內(nèi)核顆粒，構(gòu)成具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒；

碳層，包覆單個(gè)或多個(gè)所述具有核殼結(jié)構(gòu)的硅氧顆粒；

其中，所述硅氧顆粒料堆的休止角≤40°，優(yōu)選為≤30°，更優(yōu)選為≤20°；

所述硅氧顆粒料堆與水的固液界面接觸角≥45°，優(yōu)選為≥90°，更優(yōu)選為≥100°。

進(jìn)一步地，休止角指在重力場(chǎng)中，粒子在粉體堆積層(即，上述料堆)的自由斜面上滑動(dòng)時(shí)所受重力和粒子之間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)得的最大角。

進(jìn)一步地，所述接觸角是指所述硅氧顆粒在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角。接觸角越小，表示所述硅氧顆粒潤(rùn)濕性越好，接觸角越大，表示所述硅氧顆粒潤(rùn)濕性越差，當(dāng)接觸角為180°，表示所述硅氧顆粒完全未潤(rùn)濕。

具體地，隨著粉體粒徑逐漸減小，顆粒之間的分子引力、靜電引力逐漸增大，粉體越容易吸附、自團(tuán)聚，粉體顆粒的流動(dòng)性變差，導(dǎo)致休止角變大。同時(shí)，較小的粒徑分布跨度，造成顆粒相互接觸面積減小，其流動(dòng)性改善。較寬粒徑跨度的顆粒表面有大量的平面接觸點(diǎn)，以及不規(guī)則顆粒間的剪切力，導(dǎo)致粉體流動(dòng)性變差，休止角增大。

所述的硅氧顆粒粒徑適中，同時(shí)表面具有一層均勻的碳化硅層及碳層，有效降低了顆粒之間的分子引力和靜電引力。同時(shí)，硅氧顆粒具有較小的粒徑分布跨度，顆粒之間相互接觸面積較小。綜合以上因子，硅氧顆粒的流動(dòng)性較好，休止角較小。