[發明專利]一種鋰離子電池硅基負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110573028.4
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113380997B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 張小祝;蘇敏;陳云;李凡群;陳軍
• 申請（專利權）人: 萬向一二三股份公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 何俊

本發明涉及鋰離子電池技術領域，公開了一種鋰離子電池高首效硅基負極材料及其制備方法。通過氣相沉積原位合成均相結構的高首效硅基復合材料，然后再對含鋰或含鎂的硅基材料進行碳包覆，本發明通過將SiO₂粉末、Si單質粉末、Li源或Mg源原料球磨后進行高溫沉積，原位形成了均相的高首效硅基負極材料，彌補了現有技術不均勻的缺點，且不需要原料以蒸汽的方式結合，降低了制備的難度，提升了反應的安全性，更容易規模化生產；在碳包覆之前，對材料用脂肪酸進行表面改性，通過脂肪酸分子中的羧基與硅基材料表面的羥基發生化學鍵合，減小顆粒間的團聚、增加粉末的流動性來達到更佳的包覆效果，提升成品材料的各項電性能指標。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種鋰離子電池硅基負極材料及其制備方法。

背景技術

在市場需求日益提升的形勢下，石墨負極材料的研究與開發已接近其理論值，很難再有突破，而硅基材料因為其理論容量高、資源豐富、脫嵌鋰電位低等優點而得到學術界和產業界的廣泛研究，作為硅基材料的一種，氧化硅材料相對納米硅材料而言，循環過程體積膨脹相對較小、循環更加穩定而受到更多的關注，氧化亞硅基材料的主要問題包括材料本身電導率低、首次效率低；目前對氧化亞硅的改性研究也都是圍繞這幾個方面展開，主要的手段包括碳包覆、元素摻雜及預鋰化等，每種研究方向都取得了一定的成果。

授權號CN 108269979 A，公開日2018年7月10日的中國專利公開了一種氧化亞硅/硅/偏硅酸鋰復合負極材料及其制備方法，取氧化亞硅和鋰元素的無機化合物混合球磨，在保護氣體的環境下燒結，自然冷卻后得到氧化亞硅/硅/偏硅酸鋰復合材料，制得的材料可逆容量高，循環性能優良，首次庫倫效率高；授權號CN 102214824 A，公開日2011年10月12日的中國專利公開了非水電解質二次電池用負極材料及其制造方法以及鋰離子二次電池，先對氧化硅進行碳包覆，然后與氫化鋰或氫化鋰鋁混合、煅燒，得到的預鋰硅基材料首次效率高、循環性能好；授權號CN 108767241 A，公開日2018年11月6日的中國專利公開了鎂摻雜硅氧化物、制備方法及在二次鋰離子電池中的應用，通過將SiO_x氣體與金屬Mg蒸汽接觸，共沉積，得到Mg摻雜硅氧化物，作為鋰離子電池負極材料，容量高、首次庫倫效率高。

現有的對硅基材料的預嵌鋰方案中，都是對SiO本身進行預嵌鋰或者對包覆后的氧化硅材料進行預嵌鋰，這樣Li源需要從SiO表面甚至是滲過碳層再與硅基材料發生反應，難以形成均相的結果，并且無法避免副反應的發生，影響最終材料的性能，而像專利CN108767241 A中兩種蒸汽的接觸又對設備的要求很高，反應條件苛刻，存在危險性而難以大規模生產。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種鋰離子電池高首效硅基負極材料及其制備方法，通過氣相沉積原位合成均相結構的高首效硅基復合材料，然后再對含鋰或含鎂的硅基材料進行碳包覆，并且在碳包覆之前，對材料用脂肪酸進行表面改性，通過脂肪酸分子中的羧基與硅基材料表面的羥基發生化學鍵合，減小顆粒間的團聚、增加粉末的流動性來達到更佳的包覆效果，提升成品材料的各項電性能指標。

本發明的具體技術方案為：一種鋰離子電池高首效硅基負極材料，所述負極材料為核殼結構，內核為含金屬元素的氧化硅粉末，外殼為無定型碳層；所述的含金屬元素的氧化硅粉末由反應物二氧化硅、硅粉及金屬元素經球磨后高溫沉積形成均相結構；所述的無定型碳層由碳源材料裂解形成。

本發明所述的硅基負極材料其中內核含金屬元素的氧化硅粉末通過沉積反應一步合成，Li源直接與二氧化硅和硅粉高溫沉積反應過程中生成的SiO嵌合，生成的含有金屬元素的氧化硅表面具有均相結構，反應不需要原料以蒸汽的方式結合，降低了制備的難度，提升了反應的安全性，更容易規模化生產；無定型碳層主要起緩沖體積膨脹的作用且具有更好的包覆效果。