[發(fā)明專利]LixSi復合材料及其制備方法和鋰離子電池負極材料

在審

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• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112751004A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設計）人: 邵懷宇;洪果;郭軍坡
• 申請（專利權(quán)）人: 澳門大學
• 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: 成都超凡明遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51258
• 代理人: 王暉;曹桓

本發(fā)明公開了一種Li_xSi復合材料及其制備方法和鋰離子電池負極材料。該Li_xSi復合材料，其包括內(nèi)核和包覆于內(nèi)核表面的殼層，內(nèi)核為Li_xSi納米顆粒，殼層為人工SEI膜；其中，人工SEI膜由連續(xù)分布的LiF薄膜以及聚合態(tài)的含F(xiàn)高分子層構(gòu)成。通過“液相界面反應”在Li_xSi納米顆粒表面包覆一層連續(xù)，均勻且致密的人工SEI膜，從而提升Li_xSi復合材料環(huán)境適應能力，且Li_xSi復合材料能夠在潮濕的空氣中，NMP,乙醇及水溶劑中保持長期的化學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該Li_xSi復合材料用作鋰離子電池負極時，可以有效電池的首次庫倫效率，能量密度以及循環(huán)壽命。

技術領域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術領域，具體而言，涉及一種Li_xSi復合材料及其制備方法和鋰離子電池負極材料。

背景技術

鋰離子電池具有能量密度高，充電速度快及無記憶效應等優(yōu)點，被廣泛應用于諸如電子產(chǎn)品、動力汽車，新型儲能等領域中。石墨作為常見的負極材料，其良好的結(jié)構(gòu)和較高的鋰離子/電子遷移速率提供了其出色的循環(huán)和倍率性能。然而，石墨負極普遍具有較低的理論容量(372mAh/g，LiC₆),極大地限制了電池能量密度的提升。

近年來，隨著社會對能源需求的不斷增加，尋找和開發(fā)具有更高容量的負極材料已經(jīng)成為重點的研究方向。目前，硅基材料具有普遍較高的理論容量(3579mAh/g，Li_3.75Si)，是目前商業(yè)化的石墨負極的10倍以上，具有極大的應用前景。然而，硅基負極材料的應用也面臨著兩大挑戰(zhàn)。其一是硅基材料在充放電過程中承受的巨大的體積變化容易導致顆粒的破碎，這將導致顆粒表面SEI的持續(xù)破碎與重組，因而降低了電池的首次庫倫效率值，以及能量密度和循環(huán)壽命。針對此問題，目前主要是通過優(yōu)化硅基材料結(jié)構(gòu)的方式來提高硅基負極材料的循環(huán)壽命。其二是硅基材料普遍具有較低的庫倫效率值。這主要是由于電極在運行過程中形成了大量不可逆的SEI，Li_xSiO_y，以及死鋰等成分導致的。這將嚴重地消耗了電池體系中的活性鋰，降低常規(guī)硅基電池的能量密度和循環(huán)壽命。

針對硅基材料面臨的以上兩個問題，研究人員首先通過電沉積，磁控濺射，與鋰粉復合等方式對硅基電極進行預鋰處理，隨后與常規(guī)正極匹配組裝成全電池，以提高鋰化硅基負極電池的能量密度和循環(huán)壽命。然而，常規(guī)的硅基材料鋰化操作復雜，安全性低，且所得產(chǎn)品對周圍的環(huán)境中的水，氧分子非常敏感，很難應用于大規(guī)模的生產(chǎn)。

目前，除了采取對硅基電極極片進行直接預鋰的方式，硅基材料的粉體預鋰技術具有精度可控，操作性強等優(yōu)勢也引起了研究者的注意。例如，崔屹及合作者通過熱熔融過程制備一種具有“三明治”結(jié)構(gòu)的Li_xSi/石墨烯復合材料。其中，高活性的Li_xSi顆粒可以及時地補充在SEI形成過程以及隨后的電池循環(huán)過程中的鋰離子的持續(xù)消耗。當用作為鋰離子電池負極時，該Li_xSi/石墨烯電極在經(jīng)過400圈循環(huán)后仍具有高達98％的容量保持率。甚至，LixSi/石墨烯電極暴露于干燥房中兩周后，電極仍具有高達94.3％的首次庫倫效率值。然而，由于該電極結(jié)構(gòu)中的外層石墨烯與內(nèi)部Li_xSi顆粒具有較大的空隙，環(huán)境中的水，氧等小分子能緩慢地擴散進入導致電極的內(nèi)部，與Li_xSi顆粒接觸而導致該電極的逐漸失效。因此，該Li_xSi/石墨烯復合電極并不能在潮濕環(huán)境，和常規(guī)溶劑中使用。

因此，針對于上述問題，亟需開發(fā)一種具有高耐水，氧特性及循環(huán)穩(wěn)定性能優(yōu)異的Li_xSi復合材料，這對于未來發(fā)展高比能鋰離子電池至關重要。

鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種Li_xSi復合材料及其制備方法和鋰離子電池負極材料，以改善上述技術問題。