[發明專利]一種具有人工SEI膜的硅基負極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202111003432.4
• 申請日: 2021-08-30
• 公開（公告）號: CN113745519B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 謝英朋;冀亞娟;徐曉霞;劉蕾
• 申請（專利權）人: 惠州億緯鋰能股份有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 劉二艷

本發明提供了一種具有人工SEI膜的硅基負極材料及其制備方法和應用，所述硅基負極材料包括硅基材料和包覆在硅基材料表面的瓊脂糖，所述制備方法包括：將硅基材料和瓊脂糖混合后加熱，然后進行干燥，得到硅基負極材料。本發明制得的硅基負極材料中硅基材料和瓊脂糖結合性好，瓊脂糖中非極性鍵提高了離子電導率，極性基團抑制了鋰枝晶的生長，降低了首次充放電消耗的鋰離子，因此，本發明提供的硅基負極材料能夠降低電池的不可逆容量，提高電池首次庫倫效率和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種具有人工SEI膜的硅基負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著電子產品和電動汽車市場的不斷擴大，人們對電池也提出了更高的要求，能量密度是確定電池續航能力的關鍵指標，其中，負極是電池材料的重要成分之一，其可逆容量直接影響電池的能量密度。目前，石墨作為鋰離子電池中常用的負極材料，其理論克容量僅為372mAh/g，而市場上的高端石墨材料已經可達到360-365mAh/g，因此相應鋰離子電池能量密度的提升空間已相當有限。

硅基材料具有高的理論克容量和低的脫鋰電位，并且其環境友好、儲量豐富、成本較低，一直受到廣泛的關注。然而，硅基材料在首次充放電過程中，會在負極表面形成SEI膜，消耗活性鋰，另外，硅基材料在脫嵌鋰過程中體積膨脹巨大，會使SEI膜破裂生長，這將導致更多活性鋰損失，從而大大降低電池可逆容量。因此，大量工作者對硅基材料進行處理，試圖解決硅基材料在充放電過程中的活性鋰損失的問題。

CN110190245B公開了一種人工SEI膜制備方法，其在負極漿料直接加入了0.5-5％的穩定鋰鹽，用作負極極片的涂布層。該方法簡單易行，可以降低SEI膜消耗的鋰離子，但在循環過程中，這種人工SEI膜受到負極膨脹容易破裂，降低硅基材料的循環穩定性。

CN110178252A公開了一種二次電池預鋰化方法，其采用短路法進行硅基材料預鋰化，能夠減少電池充放電過程中鋰的損耗，但其處理后得到的預鋰化層多為鋰硅合金或鋰硅酸鹽，其韌性較差，在充放電過程中會隨著硅材料體積膨脹而破裂，降低硅基材料的電化學性能。

CN105845894B公開了一種鋰離子電池負極極片進行預鋰化的方法，其采用電化學方法進行硅基材料預鋰化，彌補SEI膜形成過程中鋰離子的消耗，但是其在硅基材料表面形成密脆性層，不利于材料的循環穩定性；同時，本方法在預鋰化的過程中使用了金屬鋰，存在較大的安全隱患，不利于大規模生產使用。

以上報道的這些硅基負極材料在充放電過程中均存在硅基材料膨脹導致的SEI膜破裂和活性鋰損失的問題，進一步影響了電池的可逆容量、首次庫倫效率和循環穩定性。因此，如何解決上述問題，制備出電化學性能更好的硅基負極材料已成為目前亟待解決的問題。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種具有人工SEI膜的硅基負極材料及其制備方法和應用。本發明在硅基材料表面包覆瓊脂糖，構建人工SEI膜，可以降低首次充放電消耗的鋰離子，保障人工SEI膜在膨脹過程中不破裂。同時，有利于提高離子電導率，抑制Li枝晶的生長，進一步提高電池的首次可逆容量、首次庫倫效率和循環穩定性。

為達到此發明目的，本發明采用以下技術方案：

第一方面，本發明提供了一種硅基負極材料，尤其提供了一種具有人工SEI膜的硅基負極材料，該硅基負極材料包括硅基材料和包覆在硅基材料表面的瓊脂糖。

本發明采用具有良好柔韌性的瓊脂糖包覆在硅基材料表面，起到一層人工SEI膜的作用，其在EC、DMC等有機溶劑中不溶解，能夠緩解硅基材料在循環過程中的體積膨脹，提高人工SEI膜的穩定性。同時，瓊脂糖中含有非極性鍵(-O-)和大量極性基團(-OH)，其中非極性鍵(-O-)有利于提高離子電導率，極性基團能夠有效地抑制鋰枝晶的生長以及金屬鋰與電解質之間的副反應。

本發明的硅基負極材料能夠降低電池的不可逆容量，提高電池首次庫倫效率和循環穩定性。