[发明专利]锂离子电池用复合阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，本发明涉及一种锂离子电池用复合阳极材料及其制备方法。

背景技术

目前，商业化的锂离子电池用阳极活性材料主要是石墨，但是，石墨的质量比容量有限，体积比容量提高的空间也非常小，已经无法满足未来高容量、小体积电子设备的使用需求。

迄今为止，人们通过对金属阳极进行大量研究发现，应用于锂离子电池阳极的最有前途的材料是硅和锡，其允许的最大锂嵌入量约为石墨允许的最大锂嵌入量的4倍，因此具有很高的体积比容量。例如，Li_4.4Si和Li_4.4Sn，其理论克容量可分别高达4200mA.h/g和996mA.h/g，而硅的理论体积比容量甚至高达7200mA.h/cm³。但是，在硅和锡脱/嵌锂的过程中，其体积变化较大，使得阳极活性材料容易破裂、脱落，从而容易失去电接触，进而导致锂离子电池的循环性能较差，限制了硅和锡作为锂离子电池阳极活性材料的商业化应用。

为了解决上述问题，人们进行了大量的研究并取得一定的改善效果。例如，通过将硅和锡等颗粒纳米化来增强颗粒与颗粒之间的电接触，进而提高电池的循环性能，但是当颗粒达到纳米级别时就特别容易发生团聚；又如，通过对硅和锡等颗粒的表面进行碳包覆(CN 1428880A)来提高电池的循环性能，但该工艺存在操作时间长、混合不均匀、后续热处理温度高和能耗高等缺点；再如，使用导电聚合物对硅和锡等颗粒的表面进行包覆(CN 101740748 B、CN 103078094 A以及CN 102723491 A)，这些聚合物尽管保证了材料的导电性，但并不能保证材料的导离子性，因此在电循环过程中存在极大的极化问题，同时它们并没有兼顾聚合物的机械强度（主要是抗蠕变性能和韧性），因此在电化学循环过程中不能承受活性物质的收缩和膨胀，从而导致包覆层失效，进而将活性物质暴露于电解液之中并与之反应，从而造成电池的容量损失与循环性能恶化。

有鉴于此，确有必要提供一种锂离子电池用复合阳极材料及其制备方法，该材料既具有好的导电子性，又具有好的导离子性，保证了锂离子能够顺利地在阳极材料中插入与脱出，而且该材料表面包覆的聚合物自身还具有良好的机械强度，可以有效抑制阳极活性物质的体积变化，进而保证阳极活性物质颗粒的完整性，缓解阳极片的变形，最终提高锂离子电池的电化学循环性能，延长锂离子电池的使用寿命。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂离子电池用复合阳极材料，该材料既具有好的导电子性，又具有好的导离子性，保证了锂离子能够顺利地在阳极材料中插入与脱出，而且该材料表面包覆的聚合物自身还具有良好的机械强度，可以有效抑制阳极活性物质的体积变化，进而保证阳极活性物质颗粒的完整性，缓解阳极片的变形，最终提高锂离子电池的电化学循环性能，延长锂离子电池的使用寿命。

为了实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种锂离子电池用复合阳极材料，包括阳极活性物质和包覆于所述阳极活性物质表面的包覆层，所述阳极活性物质为Si、SiO_x或硅合金，其中1≤x≤2，所述包覆层为具有网状结构的聚合物，所述聚合物是由具有以下结构式的聚合物前体交联而成（交联可以形成网状聚合物）：

 其中，X为O，S和N-R中的至少一种，其中R为H、具有1到12个碳原子的烷基、具有2到8个碳原子的碳烯基或具有6到14个碳原子的芳香基，m为1～100，n为10～1000；Y为反应性硅基团（即含硅的具有活性的官能团，也就是说可以发生交联反应的硅基团，例如，含有卤素、氧、硫或氮的硅基团，因卤素、氧、硫或氮均具有反应活性，能够发生交联，故而含有以上元素的硅基团均可以称为反应性硅基团）、含有碳碳双键的不饱和烃基、卤素或羧酸基。交联可以提高包覆层的机械强度并降低聚合物在溶剂中的溶解度。

所述包覆层占所述阳极材料的质量百分比为1-20%。若包覆层的质量百分比小于1%，则不能将阳极活性物质颗粒完全包覆或者包覆不均匀，不足以抑制活性材料在脱嵌锂过程中的体积膨胀，从而造成颗粒破碎，恶化了电化学循环性能；而若包覆层的质量百分比大于20%，则一方面影响了电池容量，另一方面还会影响离子的导通速率，导致较大极化。