[發明專利]一種改性聚酰亞胺包覆硅/硅酸鋰負極材料及其制備方法、鋰離子電池

在審

• 申請號: 202210588124.0
• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN114937765A
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 姜鵬;鞠署元;周景艷;張聰
• 申請（專利權）人: 山東?？苿撔卵芯吭河邢薰?/a>
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;C01B33/023;C01B33/32;C08G73/10
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 劉樂

本發明提供了一種硅復合材料，包括硅/硅酸鋰復合材料以及包覆在硅/硅酸鋰復合材料上的改性聚酰亞胺包覆層；所述改性聚酰亞胺為鋰離子摻雜的聚酰亞胺。該具有特定結構的改性聚酰亞胺包覆硅/硅酸鋰負極材料，硅/硅酸鋰復合材料具有納米硅顆粒均勻分散于硅酸鋰相的結構。本發明中的硅酸鋰相可提升鋰離子電導率，同時緩沖硅在充放電過程中的體積膨脹。聚酰亞胺包覆層具有優異的力學性能且經鋰離子修飾后保障了材料具有較高的首效，可逆容量高，循環性能優良。本發明提供的制備方法，通過簡單的機械球磨制備硅/硅酸鋰復合材料，能耗低，節約成本，綠色環保，制備工藝簡單，可工業化生產，實用化程度高，在鋰離子電池負極方面具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于硅復合材料技術領域，涉及一種硅復合材料及其制備方法、鋰離子電池，尤其涉及一種改性聚酰亞胺包覆硅/硅酸鋰負極材料及其制備方法、鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池由于具有能量密度高、輸出電壓高、循環壽命長、環境污染小等優點，在電子產品、電動汽車、儲能等領域有著極其重要的應用。當前商業化的鋰離子電池負極材料主要是石墨類負極材料，其理論容量只有372mAh/g，實際容量在340～360mAh/g之間，無法滿足高比能量電池的設計要求。因此，開發出比容量高、循環穩定性和倍率性能好的下一代新型負極材料以實現在電子產品和電動汽車上的廣泛使用已經成為電池領域研究的關鍵課題。

硅基材料來源豐富，且具有較高的比容量(4200mAh/g)，同時，其嵌鋰電位(0.4V)接近于石墨的嵌鋰電位(0.1V)，是高比能量電池的理想負極材料。但由于硅材料本身導電性能差，并且，在電化學嵌脫鋰時產生的嚴重體積效應，造成材料結構的破壞和機械粉化，導致電極材料間及電極材料與集流體的分離，進而失去電接觸，導致電極的循環性能急劇下降。目前解決這一問題的方法有采用較低膨脹系數的材料作為基體，將活性硅鑲嵌或封裝于這些基體材料中，以緩解由于鋰離子的嵌入和脫出造成的體積變化?；w材料起著緩沖機械應力的作用。較為常見的基體材料為碳類材料、聚合物材料。但相對于硅而言，碳類材料雖然具有較好的力學性能，更低的體積膨脹率(僅為9％，遠低于硅的400％)，但由于絕對體積膨脹依然存在，因此，這類復合材料的構造方法，能夠在一定程度上緩解硅的體積效應，但硅類材料的長期電化學循環穩定性并未得到顯著提高。而且，在后續循環中，隨著循環反應的繼續進行，基體材料與硅活性中心由于體積膨脹的失配，其二者之間的界面結合也將受到嚴重破壞，造成電化學循環性能的衰減。如公開號為CN108321368A的專利申請了一種聚合物包覆硅/偏硅酸鋰負極材料及其制備方法，通過活性鋰粉與氧化亞硅在惰性氣氛下進行球磨制備硅/硅酸鋰復合材料，在復合材料表面原位聚合聚苯胺、聚吡咯、聚多巴胺等聚合物。首先，鋰粉活性比較高，對環境要求苛刻，不適合工業化生產。同時，聚合物中的極性雜原子會消耗電解液中的鋰離子，降低首次循環效率，其制備的電極材料的首次效率僅為70％，不滿足負極材料商業化產品的要求。

因此，如何找到更為適宜的方式，解決現有的用于硅負極存在的上述問題，到一種可逆容量高，循環性能優良，可商業化的硅碳負極產品，而且適于工業化推廣和應用，已成為諸多一線研究人員和科研型企業亟待解決的問題之一。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種硅復合材料及其制備方法、鋰離子電池，特別是一種鋰離子電池改性聚酰亞胺包覆硅/硅酸鋰負極材料。本發明提供的硅復合材料具有可逆容量高，循環性能優良等特點，且過程工藝簡單易行，便于規?；a，實用化程度高，在鋰離子電池負極方面具有廣闊的應用前景。

本發明提供了一種硅復合材料，包括硅/硅酸鋰復合材料以及包覆在硅/硅酸鋰復合材料上的改性聚酰亞胺包覆層；

所述改性聚酰亞胺為鋰離子摻雜的聚酰亞胺。

優選的，所述硅/硅酸鋰復合材料中，納米硅顆粒分散在硅酸鋰材料中；

所述納米硅顆粒的粒徑大于等于10nm；

所述鋰離子摻雜的聚酰亞胺包括鋰離子修飾的聚酰亞胺。