[發明專利]硅基負極材料及其制備方法、負極片、二次電池

在審

• 申請號: 202110642153.6
• 申請日: 2021-06-09
• 公開（公告）號: CN113410442A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 陳功鋒
• 申請（專利權）人: 恒大新能源技術（深圳）有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/134;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 曹柳

本發明屬于電池技術領域，尤其涉及一種硅基負極材料及其制備方法，以及一種負極片，一種二次電池。其中，硅基負極材料包括硅基內核，包覆在所述硅基內核表面的離子導體層，和包覆在所述離子導體層背離所述硅基內核表面的電子導體層，所述電子導體層包括一維導體材料和/或二維導體材料。本發明硅基負極材料中，包覆在硅基內核表面的離子導體層，離子傳輸速率快，可顯著提升內核硅基材料的鋰離子等離子脫嵌速率；包覆在外表面的電子導體層包含有一維和/或二維導體材料，可以提高硅基負極材料表面的電子傳輸遷移效率，同時對硅基材料起到纏繞包覆效果，抑制硅基材料的體積膨脹效應，提升硅基負極材料的容量密度、循環性能和安全性能。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，尤其涉及一種硅基負極材料及其制備方法，以及一種負極片，一種二次電池。

背景技術

為應對日益突出的燃油供求矛盾和環境污染問題，發展新能源汽車是行之有效的方法之一，而動力電池作為新能源汽車的心臟，是發展新能源汽車產業的關鍵。隨著新能源汽車的發展，消費者對新能源汽車的要求主要體現在續航里程和快速充電兩方面，這就要求動力電池同時兼顧能量密度及快充性能。傳統石墨作為鋰電池負極，因其理論比容量較低(約330mAh/g)，使電池能量密度也表現較低；且石墨負極容易出現“析鋰”，導致安全隱患。目前為提升電池整體能量密度，負極都普遍采用摻硅基材料的負極。硅材料以其較高的比容量(4200mA/h)，地殼中含量豐富，脫嵌鋰電位低，不會發生由于“析鋰”而出現安全隱患等諸多優點，成為了人們的研究熱點。

硅負極材料在脫嵌鋰過程中會發生300％左右的體積膨脹效應，導致硅顆粒由于應力作用而破碎，從而失去電化學活性；并且由于硅基材料的體積效應，不能形成穩定的固體電解質界面膜，造成電解液的多次分解，降低了材料的電導率。同時，由于硅負極材料的體積效應使硅基材料負極與集流體失去電接觸，導致電池內阻增加，容量與循環性能下降明顯。另外，電芯的快充能力目前主要從兩方面進行開發，一方面提升鋰離子的脫嵌速率；另一方面提升電子的傳導速率。從硅基材料性質來看，其在電子傳輸能力和鋰離子的脫嵌速率均較石墨差。傳統改善硅材料的技術方案主要以包覆碳的方式改善電子傳輸能力，對鋰離子傳輸速率鮮有方法改善。

發明內容

本發明的目的在于提供一種硅基負極材料及其制備方法，以及一種負極片，一種二次電池，旨在一定程度上解決現有硅基負極材料存在較大的體積膨脹效應，且電子傳輸能力差的問題。

為實現上述申請目的，本發明采用的技術方案如下：

第一方面，本發明提供一種硅基負極材料，硅基負極材料包括硅基內核，包覆在硅基內核表面的離子導體層，和包覆在離子導體層背離硅基內核表面的電子導體層，電子導體層包括一維導體材料和/或二維導體材料。

本發明第一方面提供的硅基負極材料中，包覆在硅基內核表面的離子導體層，離子在其中的傳輸速率快，可顯著提升內核硅基材料的鋰離子等離子脫嵌速率；包覆在外表面的電子導體層包含有一維和/或二維導體材料，既可以提高硅基負極材料表面的電子傳輸遷移效率，同時一維線性或二維片狀的導體材料對硅基材料起到纏繞包覆效果，可以有效抑制硅基材料在充放電過程中的體積膨脹效應，提升硅基負極材料的容量密度、循環性能和安全性能。

進一步地，離子導體層中包括Li₃Zr₂Si₂PO₄、Li₁₄Zn(GeO₄)₄、Li_3xLa_2/3-xTiO₃中的至少一種離子導體材料，其中，x為0.05～0.2；這些離子導體材料均具有優異的離子傳輸遷移性能，可顯著提升鋰離子等離子在硅基負極材料中的嵌入脫出傳輸速率。