[發明專利]復合負極材料及其制備方法、極片、電池以及裝置

在審

• 申請號: 202110222690.5
• 申請日: 2021-02-26
• 公開（公告）號: CN113036135A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 劉朗;李冰;梁世碩
• 申請（專利權）人: 昆山寶創新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/48;H01M4/38;H01M4/134;H01M4/13;H01M10/0525;C01G23/04;C01B33/113;C01B33/02;C01B32/921;C01B32/907
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 王麗莎

本申請涉及能源領域，涉及一種復合負極材料及其制備方法、極片、電池以及裝置。該負極材料包括內核、第一包覆層、第二包覆層。內核為硅基材料，第一包覆層包括偏離化學計量比的鈦氧化物。第二包覆層為導電碳層，且至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦形成碳化鈦存在、至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦和部分氧形成碳氧化鈦的形式存在。鈦氧化物使得內核具有很好的穩定性，從而能夠抑制硅基材料循環過程中的體積膨脹。偏離化學計量比的鈦氧化物由于缺陷的產生，產生大量的載流子，極大地提高了整個復合負極材料的首次庫倫效率和導電性。碳層能夠在充放電過程中提供額外的嵌鋰通道，使得倍率性能、首次放電容量和首周效率有明顯的提高。

技術領域

本申請涉及能源領域，具體而言，涉及一種復合負極材料及其制備方法、極片、電池以及裝置。

背景技術

隨著對便攜性和高性能儲能設備需求的不斷增長，能源領域特別是鋰離子電池引起了人們的廣泛關注。市場上廣泛應用的鋰離子電池負極材料是石墨碳材料。石墨負極材料具有優異的導電性、良好的化學穩定性，是作為鋰離子電池活性材料的理想碳基體。目前90％的鋰離子電池負極材料都是采用石墨負極，石墨負極具有高電導率和穩定性的優勢，但存在能量密度天花板，當下的發展已接近其理論最大值—372mAh/g。

一些實驗研究發現，硅作為負極材料時，鋰在硅中形成Li4.4Si，比容量高達4200mAh/g，遠遠高于石墨的理論容量，且硅具有低嵌鋰電位和低成本的優勢。因此，硅基負極有望替代石墨成為下一代鋰離子電池負極材料。

目前，對硅基負極材料的研究主要集中在硅碳負極材料和硅氧負極材料，然而這兩者其表面缺陷，導致材料容量和首效比較低，遠低于石墨負極材料。目前的研究主要通過碳包覆的方式來抑制硅基負極材料的表面缺陷，主要包括CVD氣相沉積法和液相法，這兩種方法皆是在硅基負極基材表面包覆一層無定型碳層，從而提高材料導電性。但是通過無定型碳層包覆修飾對硅基負極材料的導電性提升非常有限。

發明內容

本申請實施例的目的在于提供一種復合負極材料及其制備方法、極片、電池以及裝置，其旨在抑制硅基材料表面缺陷的同時，提高硅基負極材料體系的電性能。

第一方面，本申請提供一種復合負極材料，包括：

內核，內核為硅基材料；

第一包覆層，第一包覆層包覆在內核的至少部分表面；第一包覆層包括偏離化學計量比的鈦氧化物；以及

第二包覆層，第二包覆層包覆在第一包覆層的至少部分表面；第二包覆層為導電碳層，且至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦形成碳化鈦存在、至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦和部分氧形成碳氧化鈦的形式存在。

通過在內核的表面包覆第一包覆層，使得硅基材料內核具有很好的穩定性，鈦氧化物做為包覆層能夠為硅基材料膨脹預留一部分空間，從而能夠抑制硅基材料循環過程中的體積膨脹等缺陷，有利于提高整個復合負極材料的循環性能。偏離化學計量比的鈦氧化物，是由于TiO₂中的部分氧原子和鈦原子離開晶格位置，形成缺陷中心，而缺陷的產生，使得第一包覆層內部產生大量的載流子(包括電子和空穴)，從而極大地提高整個復合負極材料的首次庫倫效率和導電性。進一步地，導電碳層具有多孔結構，能夠在充放電過程中提供額外的帶電離子的嵌入和脫嵌通道，從而使得倍率性能、首次放電容量和首周效率有明顯的提高。進一步地，第二包覆層中至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦形成碳化鈦存在、至少部分的碳以與第一包覆層中的部分鈦和部分氧形成碳氧化鈦的形式存在，能夠提高第二包覆層和第一包覆層之間的連接強度，從而提高整個復合負極材料的結構強度和穩定性，進而有利于提高電性能。

第二方面，本申請提供一種復合負極材料的制備方法，包括：

通過以下方式對硅基材料表面進行修飾改性，以抑制其表面缺陷：

提供通過液相混合而包覆于硅基材料的至少部分表面的鈦源材料的粉末；