[發(fā)明專利]一種碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110252869.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-09
• 公開（公告）號(hào): CN112635744B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊書廷;董紅玉;張芬麗;鄭延輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南電池研究院有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/05;C01B33/021;C01B33/18;C01G19/02
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市挺立眾創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 41192
• 代理人: 林海

本發(fā)明公開了一種碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料，包括碳材料顆粒基體和包覆層，所述包覆層包括包覆內(nèi)層和包覆外層；所述包覆內(nèi)層為硅錫復(fù)合材料和無定型碳的混合，其中：所述硅錫復(fù)合材料為表面及孔洞中沉積有納米錫材料的硅基材料，所述無定型碳包覆在所述硅錫復(fù)合材料的表面及填充在所述碳材料顆粒基體和所述硅錫復(fù)合材料之間的縫隙中；所述包覆外層為碳包覆層。本發(fā)明還公開了上述材料的制備方法，該方法制備的碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料，在提高導(dǎo)電性的同時(shí)提高了容量，并且有效地緩沖了負(fù)極材料的體積膨脹，提升了循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及一種碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池與其它二次電池相比具有電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)工具等領(lǐng)域，并有望成為未來混合動(dòng)力汽車和純動(dòng)力汽車的主要能源之一。目前石墨是最常用的鋰離子電池負(fù)極材料，具有價(jià)格低廉、資源豐富和動(dòng)力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。然而，石墨的理論比容量只有372mAh/g，已經(jīng)無法滿足各類消費(fèi)類電子設(shè)備尤其是儲(chǔ)能設(shè)備和電動(dòng)汽車對(duì)能量密度的要求。因此，研究和開發(fā)新的負(fù)極材料成為鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

硅的理論比容量為4200mAh/g，是比容量較高的材料之一，且硅來源豐富，價(jià)廉易得，這使得硅成為最為熱門的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。但是硅是半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性差，另外硅在循環(huán)過程中體積膨脹嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電極粉化，甚至?xí)蛊鋸募黧w上剝離，致使容量迅速衰減。錫的比容量也較高，為994mAh/g，導(dǎo)電性好，但是也存在一定的體積膨脹。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為：提供一種碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料，不僅具有良好的導(dǎo)電性，且在電池的循環(huán)過程中體積膨脹小。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料，包括碳材料顆粒基體和包覆層，所述包覆層包括包覆內(nèi)層和包覆外層；所述包覆內(nèi)層為硅錫復(fù)合材料和無定型碳的混合，其中：所述硅錫復(fù)合材料為表面及孔洞中沉積有納米錫材料的蜂窩狀硅基材料，所述納米錫材料為單質(zhì)錫、氧化亞錫和氧化錫中的至少一種；所述無定型碳包覆在所述硅錫復(fù)合材料的表面及填充在所述碳材料顆粒基體和所述硅錫復(fù)合材料之間的縫隙中；所述包覆外層為碳包覆層。

本發(fā)明的碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料在碳材料顆粒基體之外設(shè)置包覆內(nèi)層，包覆內(nèi)層中的硅錫復(fù)合材料是表面及孔洞中沉積有納米錫材料的蜂窩狀硅基材料，蜂窩狀硅基材料具有像蜂窩一樣的多個(gè)孔洞，由此制備的鋰離子電池負(fù)極在電池進(jìn)行充放電過程中，即使出現(xiàn)微量的體積膨脹，孔洞成為了膨脹體積的緩沖空間，從而避免了電池負(fù)極在宏觀上的體積增加，防止由于宏觀體積膨脹導(dǎo)致的負(fù)極材料從集流體上的分離和粉化，保障了負(fù)極材料與集流體的緊密接觸而依舊導(dǎo)電良好，使得電池的容量經(jīng)多次循環(huán)后依然保持較高。再者，蜂窩狀的結(jié)構(gòu)也為電池在充放電過程中鋰離子的遷移提供了通道。另外，本發(fā)明的碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料中的蜂窩狀硅基材料也貢獻(xiàn)了容量，充分利用了硅基材料的高容量特性；由于蜂窩狀硅基材料的孔洞及表面沉積有導(dǎo)電性好的納米錫材料，錫深入到蜂窩狀硅基材料立體結(jié)構(gòu)內(nèi)部并與之結(jié)合，使得硅和錫相嵌為一體，在電池的充放電過程中硅和錫優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在提高容量的同時(shí)提高了負(fù)極材料的導(dǎo)電性，并且多孔洞的結(jié)構(gòu)緩沖和吸收了錫在充放電過程中的體積膨脹。包覆內(nèi)層中的無定型碳包覆在硅錫復(fù)合材料的表面及填充在所述碳材料顆粒基體和硅錫復(fù)合材料之間的縫隙中，在進(jìn)一步增加導(dǎo)電性的同時(shí)，填充了顆粒狀的之間的空隙，提高了材料的填充密度，增強(qiáng)了硅錫復(fù)合材料與包覆外層之間的導(dǎo)電性，有效抑制了硅錫復(fù)合材料在充放電循環(huán)過程中的膨脹；外包覆的碳包覆層提高了整體顆粒狀負(fù)極材料之間的導(dǎo)電性，抑制了硅碳錫復(fù)合材料循環(huán)過程中的膨脹。本發(fā)明的碳硅錫復(fù)合物負(fù)極材料利用蜂窩狀硅基材料的多孔洞結(jié)構(gòu)的立體表面沉積納米錫，并在表面用無定型碳包覆后整體用碳包覆，將硅、錫、碳材料立體相互包覆、篏合，使得負(fù)極材料在提高導(dǎo)電性的同時(shí)提高了容量，并且有效地緩沖了負(fù)極材料的體積膨脹，提升了循環(huán)性能。

優(yōu)選地，所述碳材料顆粒基體為人造石墨、天然石墨、軟碳和硬碳中的至少一種。

優(yōu)選地，所述軟碳為中間相碳微球。