[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法和一种锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和一种锂离子电池。

背景技术

锂离子电池电芯主要由正极片、负极片、隔膜和电解液组成，负极片的性能对锂离子电池的性能影响很大。近年来，将硅作为锂离子电池的负极材料制备负极进行了广泛细致地研究，其中，以无定形硅作为负极材料的性能较佳。另外，处于晶体和无定形之间的微晶态也可以作为负极材料。在充放电过程中，锂可以在硅中进行脱嵌。这种硅负极材料具有极高的比容量，理论容量可以达到4200mAh/g。

但是，硅在脱嵌锂前后会产生巨大的体积变化，导致循环过程中负极材料破碎粉化而从集电体上脱落、或者集电体上产生褶皱使卷绕体电芯鼓胀，因此电池的循环性能较差。目前，用于改善硅负极锂离子电池的循环性能的方法较多。例如，可以用纳米硅颗粒或者硅的氧化物作为负极材料。但是纳米硅在充放电过程中会发生团聚，其循环性能仍然较差；而硅的氧化物中的氧会与锂离子反应生成不可逆的惰性相Li₂O，降低电池的比容量。

此外，现有技术中还有采用将硅粉体均匀分散于裂解碳、石墨等分散载体中，形成稳定均匀的硅碳复合体系。该硅碳复合体系中，通过将硅颗粒分散于具有弹性的碳母体中，可以有效减少电极的体积变化，防止SEI膜因为体积胀缩而引起的破坏，同时还能防止硅颗粒团聚。但是由该硅碳复合体系制备得到的负极，由于裂解碳、石墨等分散载体的存在，硅材料的高比容量性能无法完全发挥。另外，目前形成该硅碳复合体系主要通过物理混合制备而成，对硅原子的体积缓冲作用较小，电池的循环性能仍较差。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的硅负极锂离子电池中硅在脱嵌锂前后体积发生巨大变化导致电池的循环性能较差的技术问题。

本发明提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料是由热固性聚合物前驱体在低于1400℃的温度下碳化得到，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物或掺杂有机硅氧聚合物、掺杂有机硅氮聚合物；所述锂离子电池负极材料的通式为Si_xC_yM_z，其中M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0，y>0.5x，0<z<2x。

本发明还提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述制备方法包括将热固性聚合物前驱体在低于1400℃的温度下进行碳化，得到所述锂离子电池负极材料；其中，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物、掺杂有机硅氧聚合物或掺杂有机硅氮聚合物。

最后，本发明提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括电池壳体、电极组和电解液，电极组和电解液密封在电池壳体内，电极组包括正极片、隔膜和负极片，其中，所述负极片中采用的负极活性材料为本发明提供的锂离子电池负极材料。

本发明提供的锂离子电池负极材料中，通过采用热固性聚合物前驱体在低于1400℃的温度下碳化得到，其通式为Si_xC_yM_z， M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0，y>0.5x，0<z<2x，其中大部分的Si原子以非+4价态存在，用于与锂离子发生可逆反应，保证本发明的锂离子电池负极材料具有较高的比容量；部分C原子相互联结形成类似于石墨烯的片层结构，这些片层结构的C原子团又相互交错，从而提供良好的电子通道，提高所述锂离子电池负极材料的电导率；，剩余的以+4价态存在的Si原子与剩余的C原子和M原子形成稳定的Si-C键和Si-M键，从而形成负极材料骨架结构，能有效缓解嵌脱锂过程中硅原子的体积膨胀，从而保持负极材料整体的结构稳定性；因此，采用本发明提供的负极材料的锂离子电池具有良好的循环性能。   

附图说明

图1为实施例1制备的锂离子电池负极材料S1的嵌/脱锂曲线。

图2为实施例1制备的锂离子电池负极材料S1的放大倍率为10000倍的SEM图。

图3为实施例2制备的锂离子电池负极材料S2的放大倍率为20000倍的SEM图。

图4为实施例3制备的锂离子电池负极材料S3的放大倍率为20000倍的SEM图。   

具体实施方式