[發明專利]一種具有良好電化學性能的鋰電池硅氧復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110421855.1
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113206249B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 蔡新輝;胡博;徐梓煒;劉銳劍;金海侹;呂猛
• 申請（專利權）人: 湖州金燦新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/48;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏;何俊

本發明涉及鋰電池，公開了一種具有良好電化學性能的鋰電池硅氧復合負極材料及其制備方法，本發明硅氧復合負極材料以表面分布有碳納米材料和固態電解質的氧化亞硅為內核，在內核外包覆有一層非晶碳，非晶碳包覆層能夠緩解材料充放電過程中氧化亞硅顆粒的膨脹和粉化，并與碳納米材料的形成導電骨架，電子導率和離子電導率高，從而改善重復地嵌脫鋰過程中造成的電接觸失效問題。此外引入固態電解質可改善鋰離子在界面處的鋰離子遷移并減少界面副反應，從而兼顧硅氧復合負極材料的倍率和循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰電池領域，尤其涉及一種具有良好電化學性能的鋰電池硅氧復合負極材料及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著便攜式電子設備的廣泛運用及電動汽車的日益普及，傳統碳負極材料的能量密度遠遠不能滿足現有市場的需求。硅氧負極材料因具有較高的理論比容量(2680mAh/g)而得到廣泛研究，但硅氧負極材料在鋰電池負極領域應用仍存在問題：

1)硅氧負極材料在充放電過程中體積膨脹可達200％，顆粒結構極易遭受破壞，造成顆粒表面SEI膜的不可控生長。此時，硅氧負極材料與電解液間的界面會發生較多的副反應并消耗電解液，造成的高電子離子傳輸阻力顯著影響循環及倍率性能；

2)硅氧負極材料的電子電導率和離子電導率都較低，導致純硅氧負極材料的首次效率、循環和倍率等電化學性能不佳。

現有關于硅氧復合負極材料的研究，解決硅氧負極材料體積膨脹粉化和低電導率的方法主要為減小粒徑和包覆非晶導電碳層。但是單一地減少粒徑往往導致硅氧顆粒和電解液接觸的面積更大，充放電過程中更易消耗電解液。包覆非晶碳層能夠提高電子電導率與緩解顆粒破碎問題，仍存在循環膨脹后顆粒間失去電接觸、離子電導率提升有限等不足。

發明內容

為了解決現有硅氧負極材料體積膨脹粉化、電子導率低和離子電導率低的問題技術問題，本發明提供了一種具有良好電化學性能的鋰電池硅氧復合負極材料及其制備方法。本發明硅氧復合負極材料以表面分布有碳納米材料和固態電解質(兩種形式)的氧化亞硅為內核，在內核外包覆有一層非晶碳，非晶碳包覆層能夠緩解材料充放電過程中氧化亞硅顆粒的膨脹和粉化，并與碳納米材料的形成導電骨架，電子導率和離子電導率高，從而改善重復地嵌脫鋰過程中造成的電接觸失效問題。此外引入固態電解質可改善鋰離子在界面處的鋰離子遷移并減少界面副反應，從而兼顧硅氧復合負極材料的倍率和循環性能。

本發明的具體技術方案為：

第一方面，本發明提供了一種具有良好電化學性能的鋰電池硅氧復合負極材料，其以表面分布有碳納米材料和固態電解質的氧化亞硅為內核，以包覆于所述氧化亞硅表面的非晶碳為包覆層；所述碳納米材料和固態電解質以分散形式或以碳納米材料改性固態電解質的形式分布于氧化亞硅表面；其中，所述氧化亞硅的占比為70-98wt％，所述碳納米材料的占比為0.01-5％，所述固態電解質的占比為0.01-10％，所述非晶碳的占比為1-15％。本發明在硅氧復合負極材料結構設計獨特，在非晶碳包覆氧化亞硅顆粒基礎上引入碳納米材料和固態電解質，碳納米材料和固態電解質通過非晶碳包覆層的化學鍵作用牢固、均勻地結合在氧化亞硅顆粒表面，能夠改善硅氧材料的顆粒粉化、電子電導率和離子電導率低的問題。非晶碳包覆層的限制作用，由于能夠避免硅氧顆粒嵌脫鋰造成的結構粉化失效問題，碳納米材料與非晶碳可形成導電骨架，協同作用能夠解決顆粒間、顆粒與集流體間的電子傳輸問題，避免重復地嵌脫鋰過程中造成的電接觸失效。而固態電解質與非晶碳共同作用可明顯改善硅氧負極與電解液的界面穩定性，減少鋰離子嵌入脫出與電解液發生的界面副反應，避免電解液消耗過快與產氣問題，從而能夠使材料同時具備優異的倍率性能和循環性能。