[發(fā)明專利]一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110048704.6
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN112786886A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葛傳長(zhǎng);仰永軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東凱金新能源科技股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/62
• 分類號(hào): H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 東莞恒成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44412
• 代理人: 韓丹

本發(fā)明涉及電池負(fù)極材料領(lǐng)域，特別是涉及一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料，所述硅碳負(fù)極材料包括若干球狀復(fù)合顆粒、包覆于若干所述第一復(fù)合顆粒外部的有機(jī)裂解碳層；所述球狀復(fù)合顆粒包括內(nèi)核層、包裹于所述內(nèi)核層外部的碳質(zhì)材料層，所述內(nèi)核層和碳質(zhì)材料層的質(zhì)量比為(3?65)：1。本發(fā)明提供一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料，該材料為多級(jí)碳包覆硅納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)，將硅納米顆粒從零維擴(kuò)展至三維，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本發(fā)明還提供一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料的制備方法，制備簡(jiǎn)單便捷，制得的材料結(jié)合了大比表面、高導(dǎo)電性和良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等多重優(yōu)勢(shì)，有效緩解硅負(fù)極體積膨脹，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池負(fù)極材料領(lǐng)域，特別是涉及一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

21世紀(jì)來，最嚴(yán)峻問題是能源和環(huán)境。目前，全球約80％的能源消耗依賴于石油、煤炭、天然氣等不可再生資源，這不僅使不可再生資源的存儲(chǔ)量大幅減少，還引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境、氣候和健康安全等問題，而不可再生的能源會(huì)造成大面積的環(huán)境污染，所以開發(fā)新型的可再生能源尤為必要。太陽能、風(fēng)能等可再生資源雖無污染，但因其不穩(wěn)定性，不能持續(xù)供應(yīng)能量。于是，作為新一代高效儲(chǔ)能系統(tǒng)的可充電電池成為解決這一問題的關(guān)鍵。

與其他可再充電電池相比，如鎳鎘和鎳氫電池，鋰離子電池具有更高的能量密度，更高的工作電壓，有限的自放電和更低的維護(hù)要求。鋰離子電池是目前發(fā)展較為成熟的可充電電池。它不僅具有比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、自放電率低等特點(diǎn)，而且污染小，符合環(huán)保要求，能廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。大量研究表明，儲(chǔ)能電源性能的好壞關(guān)鍵在于儲(chǔ)能密度和功率密度，而離子電池的儲(chǔ)能密度較大程度上取決于正負(fù)極材料的比容量。鋰離子電池在過去的二十年里已經(jīng)徹底革新了便攜式電子設(shè)備，并有可能對(duì)車輛通電產(chǎn)生巨大影響。盡管具有突出的潛力，最先進(jìn)的鋰離子電池(如LiCoO₂/石墨電池)不能滿足汽車電氣化的要求，同時(shí)需要高能量密度和高功率密度，同時(shí)具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。在這種情況下，硅是下一代鋰離子電池最有前景的負(fù)極候選材料之一。這是由于其低的電壓分布和高的理論容量(室溫下Li₁₅Si₄相為3590mAh/g)，這是碳質(zhì)材料(包括石墨，熱解碳和中位相瀝青)的約10倍(約372mA h/g)。除鋰金屬以外，硅還具有最高的體積容量(9786mAh/cm3，基于硅的初始體積計(jì)算)。另外，硅是地殼中第二大元素，環(huán)保無毒。因此，以低成本批量生產(chǎn)硅不是問題。然而，硅負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用目前受到多種挑戰(zhàn)的阻礙，包括鋰化/脫鋰過程中大量的體積變化(約300％)，低固有電導(dǎo)率和固體電解質(zhì)界面(SEI)的不穩(wěn)定性。大體積變化會(huì)導(dǎo)致顆粒粉碎，與導(dǎo)電添加劑或集電器的電接觸喪失，甚至從集電器上剝離。反復(fù)的體積膨脹和收縮也會(huì)導(dǎo)致顆粒周圍SEI層的斷裂和再形成，從而導(dǎo)致電解質(zhì)的連續(xù)消耗，阻抗增加和容量衰減。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料，該材料為多級(jí)碳包覆硅納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)，將硅納米顆粒從零維擴(kuò)展至三維，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

本發(fā)明還提供一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料的制備方法，制備簡(jiǎn)單便捷，制得的材料結(jié)合了大比表面、高導(dǎo)電性和良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等多重優(yōu)勢(shì)，有效緩解硅負(fù)極體積膨脹，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高容量高穩(wěn)定性硅碳負(fù)極材料，所述硅碳負(fù)極材料包括若干球狀復(fù)合顆粒、包覆于若干所述第一復(fù)合顆粒外部的有機(jī)裂解碳層；所述球狀復(fù)合顆粒包括內(nèi)核層、包裹于所述內(nèi)核層外部的碳質(zhì)材料層，所述內(nèi)核層和碳質(zhì)材料層的質(zhì)量比為(3-65)：1。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述有機(jī)裂解碳層為有機(jī)碳源，所述有機(jī)碳源為葡萄糖、檸檬酸、聚丙烯腈和瀝青中的一種或多種。

對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)為，所述內(nèi)核層和碳質(zhì)材料層的質(zhì)量比為(4-60)：1，所述內(nèi)核層為納米硅，所述碳質(zhì)材料層包括石墨和石墨烯。