[发明专利]一种锂离子电池用氧化亚硅复合负极材料、制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用氧化亚硅复合负极材料、制备方法及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是便携式电子设备、电动汽车及储能系统的理想电源，开发比能量高、安全性好以及成本低廉的新型电极材料是锂离子电池研究领域的核心内容，新型负极材料的研究对新一代锂离子电池的研制具有重要意义。目前成熟的锂离子电池负极材料主要为石墨类材料，其理论比容量仅为372mAh/g，发展潜力有限，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。氧化亚硅材料具有较高的理论比容量（>2000mAh/g），较低的储锂反应电压平台，且制备成本低廉，因此成为替代石墨的极具潜力的一类负极材料。但氧化亚硅的导电性较差，性质接近绝缘体，导致其电化学反应的动力学性能较差。而且氧化亚硅材料中包含的SiO₂在首次嵌锂反应中转变成Li₄SiO₄，Li₂Si₂O₅等物相（Quartz(SiO₂):a new energy storage anode material for Li-ion batteries,Energy Environ.Sci.,2012,5,6895-6899），消耗较多的锂离子，致使首次充放电效率较低（<70%）。

为了提高氧化亚硅材料的导电性，通常本领域技术人员会选用酚醛树脂、环氧树脂、沥青、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯等有机碳源进行热解碳包覆。碳包覆处理后的氧化亚硅材料，其电导率和电化学性能有所提高。但由于包覆材料沥青或树脂或高分子材料自身的导电性能较差，故热解碳包覆处理对氧化亚硅性能提升的空间非常有限。为了提高氧化亚硅材料的首次充放电效率，预锂化是一种有效的方法，文献1（Electrochemical behavior of a lithium-pre-doped carbon-coated silicon monoxide anode cell,J.Power Sources,2009,189,511-514）通过预先在氧化亚硅电极表面涂敷锂粉，将电极的首次充放电效率由67.7%提高到72.8%；文献2（Facile approach to SiO_x/Si/C composite anode material from bulk SiO for lithium ion batteries,Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,14420-14426）在氧化亚硅电极表面贴敷锂箔，通过在电极和锂箔两端施加压力并浸泡在电解液中8分钟，电极的首次充放电效率由61.9%提高到94.4%。预锂化需要在干燥无氧的环境中进行，操作难度大，并且预锂化的程度难以精确的控制，目前仅限于实验室应用，难以大规模推广。最近，文献3（Reduction effect of irreversible capacity on SiO anode material heat-reacted with Fe₂O₃,J.Power Sources,2013,232,264-269）通过将氧化亚硅材料与Fe₂O₃混合加热处理，在氧化亚硅表面形成均匀的硅酸盐包覆层Fe₂SiO₄，材料的首次充放电效率由70%提高到90%。但该方法存在Fe₂O₃反应不完全的可能，也容易形成单质Fe，导致使用该材料的电池自放电和循环性能变差。

因此，研发一种高导电性、高首次充放电效率及循环稳定性好的氧化亚硅负极材料是锂离子电池领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种氧化亚硅复合负极材料，可提高氧化亚硅负极材料的导电性、比容量、首次充放电效率及循环稳定性。

所述氧化亚硅复合负极材料包括氧化亚硅基体、均匀沉积在氧化亚硅基体上的纳米硅材料及氧化亚硅/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层。

优选地，所述氧化亚硅复合负极材料由氧化亚硅基体、均匀沉积在氧化亚硅基体上的纳米硅材料及氧化亚硅/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层组成。

优选地，所述氧化亚硅复合负极材料包括氧化亚硅基体、基体表面的碳材料包覆层、均匀沉积在碳材料包覆层上的纳米硅材料及氧化亚硅/碳材料包覆层/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层。