[發明專利]一種三維包覆硅基負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202111666231.2
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN114464784A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 唐唯佳;楊樂之;涂飛躍;陳濤;王力;封青閣;覃事彪
• 申請（專利權）人: 長沙礦冶研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/485;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 段紅玉

一種三維包覆硅基負極材料，負極材料以氧化亞硅為基質，氧化亞硅上依次包覆有硅酸鋰包覆層和碳包覆層，碳包覆層外側負載有碳顆粒和碳納米管，碳納米管從碳包覆層穿插出來，形成三維立體的包覆結構。制備方法，包括以下步驟：(1)將氧化亞硅原料還原；(2)將氧化亞硅與鋰源混合，高溫處理；(3)通過有機氣體，氣相沉積法處理，表面包覆碳層；(4)分別通入甲烷、乙烯、乙炔/乙烯混合氣體進行反應，冷卻過篩，得到三維包覆硅基負極材料。本申請進行三維立體包覆，硅酸鋰包覆層增強了鋰離子傳導能力，碳包覆層增強了材料的電子導電性，協同抑制了硅基基質在脫/嵌鋰時的體積膨脹，減少了首次充放電時的不可逆容量損失。

技術領域

本發明屬于鋰電池負極材料技術領域，尤其涉及一種三維包覆硅基負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池作為目前最具應用前景的電化學儲能設備受到廣泛的關注。負極材料是電池中的重要組成部分，是提升電池性能的重要材料之一。相較于目前廣泛使用的石墨類負極材料，硅材料具有高理論容量(其理論容量可達到4200mAh/g)，約為碳質材料的十倍，且儲量豐富，具有較低的嵌鋰電位(Si平均脫鋰電位0.4V vs.Li/Li⁺)。

硅材料在脫嵌鋰的過程中會面臨巨大的體積變化(300％)，導致Si顆粒破裂與結構坍塌，從而嚴重影響到電池的循環性能；此外硅材料的導電性較差。采用氧化亞硅代替硅材料，由于可生成氧化鋰緩沖相，能顯著提升材料的循環性能。但氧化亞硅材料同樣面臨體積膨脹和導電性的問題。一般采用對亞硅基質進行碳包覆處理，包覆的碳層能緩解氧化亞硅的體積變化，增強亞硅基質的導電性。包覆的碳層質量會對材料的導電性和循環穩定性產生較大的影響，因此改善亞硅包覆碳層使其兼具良好的導電性和機械強度十分重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是氧化亞硅碳包覆的碳層處理，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種三維包覆硅基負極材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種三維包覆硅基負極材料，所述負極材料以氧化亞硅為基質，氧化亞硅上依次包覆有硅酸鋰包覆層和碳包覆層，碳包覆層外側負載有碳顆粒和碳納米管。

本申請進行三維立體包覆，硅酸鋰包覆層增強了鋰離子傳導能力，碳包覆層增強了材料的電子導電性，兩者協同抑制了硅基基質在脫/嵌鋰時的體積膨脹，減少了電解質副反應的發生，減少了首次充放電時的不可逆容量損失。碳顆粒和碳納米管都增加了負極材料顆粒之間的電子傳導，碳納米管在球型顆粒之間形成快速電子通道，同時增強了碳層的機械穩定性。

優選的，所述碳顆粒的形貌包括球狀和/或半球狀。碳顆粒是指氣相沉積法過程中在碳包覆層上形成的碳球結構，存在完整的碳球負載在碳包覆層表面，也存在部分埋在碳包覆層里的半碳球結構。

優選的，所述碳納米管從碳包覆層中穿插出來，形成三維立體的包覆結構。

優選的，所述氧化亞硅基質的硅氧比為0.8-1.5。

通過控制硅基的硅氧比，此范圍內的硅氧負極材料具有較高的容量和首次效率。

優選的，所述碳包覆層、碳顆粒和碳納米管通過控制碳源的種類及其溫度沉積條件復合而成。

在同一個技術構思下，本發明還提供一種三維包覆硅基負極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將氧化亞硅原料置于還原性氣體中部分還原，冷卻洗滌干燥；

(2)將步驟(1)處理的氧化亞硅與鋰源混合，高溫處理，得到前驅體A；

(3)通過有機氣體，氣相沉積法處理前驅體A，在前驅體A表面包覆碳層；