[發明專利]一種高倍率硅氧碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202111590608.0
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114284481A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 王勝彬;王世賢;俞會根
• 申請（專利權）人: 北京衛藍新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583
• 代理公司: 北京智丞瀚方知識產權代理有限公司 11810
• 代理人: 姜司晨

本發明公開了一種高倍率硅氧碳材料及其制備方法和應用。本發明的高倍率硅氧碳材料為多層核殼結構，從內到外依次為氧化亞硅核、導電三維網絡、多孔碳層或含有導電劑的多孔碳層、致密碳層。本發明高倍率硅氧碳材料中導電三維網絡可以提高材料電導率，減低極化，提高比容量；多孔碳層或含有導電劑的多孔碳層均勻包覆有效抑制顆粒的膨脹，并維持膨脹后碳包覆層的完整性，也可進一步提高復合材料的電導率；高分子聚合物碳化層可以形成完整、光滑的致密包覆層，起到抑制膨脹、減少比表面積、提高導電性，降低材料的副反應的作用。綜合我們可以得到高導電性，低膨脹，低比表面積的氧化亞硅材料，進而可以有效提高鋰離子電池的倍率性能。

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域，尤其涉及一種高倍率硅氧碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池由于其比容量大，使用壽命長，安全性高，方便攜帶等諸多優點，已成為當前世界研究的熱點，并廣泛應用于各種電子設備，電動汽車以及便攜儲能設備中。

硅基材料作為新型的鋰離子二次電池負極材料，相對石墨其有更高的比容量，但其缺陷也是相當明顯，體積膨脹大，倍率性能差，首次充放電效率低，且在充放電過程中，活性材料容易粉化、脫落嚴重影響其使用壽命。作為硅基材料的氧化亞硅負極材料，相對納米硅，其整體的體積膨脹相對較小，在后期生產改進中具有更大的優勢。

氧化亞硅材料相對石墨依然有較高的理論比容量(大于2000mAh/g)，但是其缺陷也是非常明顯，其循環性能，倍率性能則比石墨差很多，另外其首周效率遠低于石墨材料，主要原因在于氧化亞硅材料在首次充放電過程中鋰離子會與硅氧材料反應生成Li₂O和Li₂SiO₄，消耗較多活性鋰導致首周效率低。因此當前研究人員對氧化亞硅負極材料研究主要集中在材料的循環性能，倍率性能改善以及首次效率提升方面，這也是當前氧化亞硅負極材料研究的重難點。究其原因主要是氧化亞硅具有低導電性、高膨脹、易與電解液反應等缺陷。

因此，需要開發一種低膨脹、低比表面積和電化學性能好的氧化亞硅的負極材料適于規?；a的鋰電池負極材料。

發明內容

針對上述現有技術存在的局限性，本發明提供一種高倍率硅氧碳材料及其制備方法和應用。本發明的高倍率硅氧碳材料利用高導電性的材料，對氧化亞硅進行表面包覆；先包覆一層導電三維網絡，再包覆一層均勻的多孔碳層或含有導電劑的多孔碳層，最后再包覆一層高分子聚合物碳化層，其中，導電三維網絡可以提高材料電導率，減低極化，提高比容量，多孔碳層或含有導電劑的多孔碳層均勻包覆有效抑制顆粒的膨脹，并維持膨脹后碳包覆層的完整性，同時提高復合材料的電導率；高分子聚合物碳化層可以形成完整、光滑的包覆層，碳化后的致密包覆層起到抑制膨脹、減少比表面積、提高導電性，降低材料的副反應的作用。綜合我們可以得到高導電性，低膨脹，低比表面積的氧化亞硅材料，進而可以有效提高鋰離子電池的倍率性能。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的目的之一是提供一種高倍率硅氧碳材料，所述硅氧碳材料為多層核殼結構，所述多層核殼結構從內到外依次為氧化亞硅核、導電三維網絡、多孔碳層或含有導電劑的多孔碳層中的至少一種、致密碳層。

本發明中第1包覆層為導電三維網絡，導電三維網絡具有高電導性，可以提高材料電導率，減低極化，提高比容量。

本發明中第2層包覆采用機械融合的方式，將瀝青等多孔碳層的碳源均勻負載含第1包覆層的復合材料表面形成完整的包覆層，完整的包覆層起到抑制材料膨脹，并防止電解液與氧化亞硅接觸，同時維持膨脹過程中的顆粒完整；當多孔碳層中加入導電劑時，可以進一步提高導電性能。

本發明中第3層包覆層為液相包覆的致密高分子碳化層，具有完整、光滑的包覆層結構，有效抑制氧化亞硅的膨脹，并降低表面積，提高導電性。