[發明專利]一種高首效高倍率硅基負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110653145.1
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113422013B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張小祝;蘇敏;陳云;李凡群
• 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，針對現有技術中硅氧材料首效低、電導率不佳及膨脹較大的問題，公開了一種高首效高倍率硅基負極材料及其制備方法，硅基負極材料為高首效SiO/C材料、石墨及硬碳分布于無定型碳中形成的復合結構；硅基負極材料中各組分的質量比為高首效SiO/C材料：石墨：硬碳：無定型碳源為1：1~10：1~5：0.1~0.3。對氧化亞硅材料進行液相預鋰化處理，將高首效硅氧材料固定在石墨顆粒和硬碳顆粒之間，通過碳基材料的錨定作用緩解硅基材料的體積膨脹，起錨定作用的無定型碳同時在高首效硅氧材料、石墨及硬碳表現形成了一層碳包覆層，最終制得的硅基復合材料具有高首效高倍率長循環壽命的特點，綜合性能優異。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其是涉及一種高首效高倍率硅基負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著消費類電子行業及電動汽車等領域的蓬勃發展，人們對儲能設備的要求越來越嚴格，在眾多的儲能器件中，鋰離子電池因其獨特的優勢而得到了廣泛的研究與發展，為了跟進實際應用的步伐，鋰離子電池在能量密度、功率密度、循環及安全方面也在不斷提升；傳統的石墨類鋰電池負極材料，因為其理論容量低，已經成為制約鋰電池能量密度提升的一項重要因素，與此同時，硅基材料因為其高容量、來源廣泛、嵌鋰電位低等有點成為最有希望取代石墨的下一代負極材料，硅基材料又分為納米硅與硅氧方向，與納米硅相比，硅氧材料因為體積膨脹相對較小、循環更穩定而更被業內人士看好，而且硅氧材料理論容量在2000mAh/g以上，能夠滿足市場需求，但硅氧材料因為首次充電過程形成Li₂O、Li₄SiO₄等副產物，導致其首次效率低，而且硅氧材料本身電導率不佳、膨脹依然較大等問題，也需要進一步改善與提升。

針對硅基材料目前存在的問題，科研人員已經展開了大量的研究，改善的手段主要集中在預鋰化、包覆、摻雜以及結構設計；專利CN111710848A將SiO_x與摻雜元素源混合，得到摻雜硅源，再將摻雜硅源與鋰源混合煅燒，得到導電性能好、首效高的硅氧負極材料，但是其預鋰方式是高溫燒結，均勻性難以控制且在規模化應用時會存在加工性的問題；專利CN110010863A將金屬鋰溶解在有機溶劑，加入負極粉末完成預鋰，提升材料首效同時減小了電池在充放電過程的膨脹，且液相過程可以提高預鋰的精度及一致性，但本專利使用的鋰源為單一的金屬鋰，應用有局限性難以規模化生產；專利將硬碳顆粒與氧化亞硅混合，加入水性粘結劑調節漿料粘度，噴霧干燥后得到混合顆粒，使硬碳小顆粒包裹在氧化亞硅顆粒表面，制備出的電池具有循環性能好的特性，但此專利未使用硬碳且沒有對硅材料進行預鋰，材料首效偏低。

發明內容

本發明是為了克服現有技術中硅氧材料首效低、電導率不佳及膨脹較大的問題，提供一種高首效高倍率硅基負極材料及其制備方法，本發明首先對氧化亞硅材料進行液相預鋰化處理，再將預鋰后的硅氧材料與石墨、硬碳混合并添加碳源進行造粒，將高首效硅氧材料固定在石墨顆粒和硬碳顆粒之間，通過碳基材料的錨定作用緩解硅基材料的體積膨脹，起錨定作用的無定型碳同時在高首效硅氧材料、石墨及硬碳表現形成了一層碳包覆層，以進一步提升成品硅基材料的循環性能，且硬碳顆粒的存在可以提升復合材料的倍率性能，最終制得的硅基復合材料具有高首效高倍率長循環壽命的特點，綜合性能優異。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種高首效高倍率硅基負極材料，所述硅基負極材料為高首效SiO/C材料、石墨及硬碳分布于無定型碳中形成的復合結構。

作為優選，所述硅基負極材料中各組分的質量比為高首效SiO/C材料：石墨：硬碳：無定型碳源為1：1～10：1～5：0.1～0.3。