[发明专利]锂离子电池用硅基复合负极材料、其制备方法及包含该材料的锂离子电池负极

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用硅基复合负极材料、其制备方法及包含该材料的锂离子电池负极。该硅基复合负极材料是采用石墨为基体材料和活性材料，以纳米硅为活性材料，纳米硅均匀分布在石墨表面，纳米硅与石墨之间通过含碳导电体与石墨表面紧密结合，并且在石墨/含碳导电体/纳米硅的最外层表面包覆无定形碳壳层构成的核壳结构负极材料。包含如下步骤：制备纳米硅；制备石墨/含碳导电体前驱体/纳米硅浆料；喷雾干燥、高温裂解得到石墨/含碳导电体/纳米硅复合粉体；碳源有机前驱体液相包覆制备硅基复合负极材料前驱体；硅基复合负极材料前驱体碳化、破碎、过筛得到负极材料。该负极材料粒径均匀、结构稳定性和电化学稳定性好、电化学活性高。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用硅基复合负极材料、其制备方法及包含该材料的锂离子电池负极。

背景技术

锂离子电池因其具工作电压高、循环寿命长、无记忆效应、自放电效应小、环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子器件、规模化储能电站和电动汽车中。当前，商业化的锂离子电池负极材料主要采用石墨类负极材料，但其理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来更高比能量及高功率密度锂离子电池发展的要求。因此，寻找替代碳的高比容量负极材料成为一个重要的发展方向。

由于具有最高的储锂容量(理论比容量4200mAh/g)和丰富的资源，硅材料被认为最有潜力有望成为下一代锂离子电池负极材料。然而，由于在嵌/脱锂过程中较大的体积变化带来的硅材料结构破坏和材料粉化，会导致电极结构破坏，造成硅活性组分丧失电接触。此外材料的粉化和巨大的体积变化，会造成SEI膜的不断生成，从而导致电池的电化学循环稳定性较差，阻碍了硅材料作为锂离子电池负极材料的规模化应用。

为解决硅负极材料在应用中存在的问题，目前研究者们主要通过硅的纳米化手段来减小硅的绝对体积膨胀，避免材料粉化。但单纯的纳米化无法解决纳米硅在循环过程中的“电化学烧结”和加剧的副反应造成的SEI膜不断生成的问题。因此必须采用纳米化和复合化相结合的手段，通过构筑多元多层次复合材料的方法来解决硅在实际应用中存在的各种问题。

传统的纳米硅制备方法主要包括化学气相沉积法、物理蒸发法、溶液法和激光烧蚀法等，但这些方法成本高，产率低，批次稳定性差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种锂离子电池用硅基复合负极材料，该负极材料粒径均匀、结构稳定性和电化学稳定性好、电化学活性高。

本发明的另一目的在于提供一种所述锂离子电池用硅基复合负极材料的制备方法，该方法制备工艺简单，成本低，易实现规模化生产。

本发明的又一目的在于提供一种包括所述锂离子电池用硅基复合负极材料的锂离子电池负极。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池用硅基复合负极材料，采用石墨为基体材料和活性材料，以纳米硅为活性材料，纳米硅均匀分布在石墨表面，纳米硅与石墨之间通过含碳导电体与石墨表面紧密结合，并且在石墨/含碳导电体/纳米硅的最外层表面包覆无定形碳壳层而构成的核壳结构的负极材料。

在本发明中，按重量百分比计，所述负极材料中包含纳米硅1-30％，石墨50-90％，含碳导电体1％-10％，无定形碳5-25％。

所述纳米硅粒径在10-300nm，优选为30-100nm，其表面氧化层SiO_x的厚度≤3nm，其中，0＜x≤2。

所述石墨基体材料为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球的一种或几种。

所述含碳导电体为无定形碳、低含碳量硅氧碳陶瓷材料、高含碳量硅氧碳陶瓷材料、碳化硅的一种或几种。

所述无定形碳包覆层为软碳包覆层或硬碳包覆层，厚度≤2μm。