[发明专利]负极活性材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体地，涉及负极活性材料及其制备方法和应用，更具体地，涉及负极活性材料、制备负极活性材料的方法、负极和电池。

背景技术

锂离子电池由于具有开路电压高、能量密度大、自放电率小以及无污染等优点而被广泛应用于电子设备、电动交通、航空航天、军事、医学等领域。锂离子电池的充放电过程，基于锂离子在正负极材料之间的反复嵌入和脱嵌。目前，商业化的锂离子电池主要采用碳素材料作为负极，石墨由于其层状结构利于锂离子的嵌入和脱出而得到了最广泛的应用。然而石墨的理论比容量仅为372mAh/g，相对较低，已经无法满足日益增长的高容量、高功率需求。因此，寻找新型的高比容量的材料，成为锂离子电池负极研究的重要探索方向。

非碳材料中，硅由于其较高的理论比容量(4200mAh/g)以及放电电位低、自然储量丰富等优势，成为替代石墨的最有潜力的锂离子电池负极材料。然而，体硅材料在锂离子嵌入和脱出过程中，会有高达300％的体积变化，这会导致电极结构破坏、电连接失效、活性材料持续消耗等问题，最终导致电池容量迅速衰减，循环性能恶化。

目前，改善硅负极的一种主要方法是将硅材料纳米化，如纳米薄膜、纳米线、纳米颗粒等，纳米化的硅可以更好的释放体积变化产生的应力，同时提供体积膨胀的空间，然而由于硅的本征导电率低，纳米化的硅在多次循环后仍然会有较明显的容量衰减，且电池功率密度也较低。M.Holzapfel、N.Liu等利用硅与碳的复合材料，不仅利于增强材料的电子导电性，同时碳材料的轻量、易延展的特性也有利于应力释放。然而上述负极材料普遍存在振实密度低、体积比容量低的缺点，限制了锂离子电池在单位芯片面积上的容量和功率性能，此外，也难以与微电子制造工艺兼容。

因此，制备锂离子电池的材料有待于进一步研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电池容量高、循环性好、使用寿命长和功率高的电池。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种负极活性材料。根据本发明的实施例，该负极活性材料包括：硅纳米颗粒；以及碳基材料层，所述碳基材料层形成在所述硅纳米颗粒的至少部分外表面上，其中，所述碳基材料层的至少一部分与所述硅纳米颗粒的外表面之间存在空隙。

发明人惊奇的发现，本发明的负极活性材料的碳基材料层与硅纳米颗粒的外表面之间存在空隙，该空隙为电池充、放电过程中，硅体积膨胀提供了预留空间，有利于保持负极活性材料的结构完整，从而，电池的容量高且不易衰减，循环性好，使用寿命长。

根据本发明的又一方面，本发明提供了一种制备负极活性材料的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将硅纳米颗粒进行水解氧化处理，以便得到具有二氧化硅表层的复合硅颗粒；向所述复合硅颗粒中加入碳源，进行混合，以便得到第一混合物；将所述第一混合物进行碳化，以便得到表层为碳且内部包覆有所述复合硅颗粒的中间体；以及将中间体进行刻蚀处理，去除所述中间体中复合硅颗粒的所述二氧化硅表层，以便得到所述负极活性材料。

根据本发明的实施例，利用该方法制备的，碳化后的碳源在硅纳米颗粒表面形成中空的表层，表层和硅纳米颗粒间存在空隙，该空隙为电池充、放电过程中，硅体积膨胀提供了预留空间，有利于保持负极活性材料的结构完整，从而，电池的容量高且不易衰减，循环性好，使用寿命长。

根据本发明的再一方面，本发明提供了一种负极。根据本发明的实施例，该负极包括：前述负极活性材料。

根据本发明的实施例，采用本发明的负极的电池，电池容量高且不易衰减，循环性好，使用寿命长，具有良好倍率性能和快速充放电能力。根据本发明的实施例，本发明的电池初始比容量达2200mAh/g，80次充放电循环后有可逆比容量为1200mAh/g，容量保持率可达54.5％。在高倍率(4C)充放电下，仍然具有高于普通商用石墨负极的比容量(具有良好的倍率性能和快速充放电能力)。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种电池。根据本发明的实施例，该电池包括：前述的负极；正极；以及电解液。

根据本发明的实施例，本发明的电池，电池容量高且不易衰减，循环性好，使用寿命长，具有良好倍率性能和快速充放电能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：