[发明专利]一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法，所述锂离子电池硅基负极材料为核‑壳结构的硅‑金属合金三层复合材料，所述核层为硅，中间层为硅与金属X的合金化合物和X的混合物，热解碳为最外层，其中，X为与硅化合在充放电过程中具有稳定结构的金属元素。采用本发明的技术方案，改善了硅粉作为锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能，核壳结构有效的抑制了硅粉充放电过程中的体积膨胀，热解碳层增加了复合材料的导电性同时对充放电过程中硅粉的体积膨胀起到限制的作用，使硅基复合材料具有优异的循环和倍率性能，制备方法简单、成本低廉、原材料丰富易得。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其具有高的能量密度和优异的循环性能已经被广泛地应用于笔记本电脑、移动电话、医学微电子设备等便携式电子设备中。但是，如果要应用到更加广阔的领域例如大型固定能量储存装置和电动汽车仍然存在很多需要解决的问题。这些问题包括如何进一步增加锂离子电池能量密度、增强电池组之间的匹配、减小循环过程中容量的衰减、提高工作过程中的安全性、拓宽正常工作温度范围、增强材料的可靠性、降低生产成本等。现在，业内普遍认为锂离子电池方面的重大突破是对电极材料和电解液部分进行革新，目标是找到性能优于目前商业化使用材料的替代物并且替代物在工作过程中所发生的电化学过程要与目前所使用的锂离子电池原理上保持一致。因此，对锂离子电池负极材料的研究是非常有必要的。

目前商业化使用的负极材料石墨比容量较低（372 mAh/g）、循环过程中副反应较多、充放电平台过低等缺点不能满足社会可持续发展的需求。硅材料作为锂离子电池非常有潜力的负极材料，具有比容量高（4200 mAh/g）、工作嵌锂电压低、对环境友好、储量丰富等优点。但是，其在充放电过程中过大的体积膨胀和表面形成不稳定的固体电解质（SEI）膜，导致其循环过程中结构的破坏失去嵌锂能力进而容量衰减比较快，限制了硅材料商业化的应用。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法，所述锂离子电池硅基负极材料为具有核-壳结构的硅基复合材料，能有效的克服纯硅粉在循环过程中的问题。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种锂离子电池硅基负极材料，所述锂离子电池硅基负极材料为核-壳结构的硅-金属合金三层复合材料，所述核层为硅，中间层为硅与金属X的合金化合物和X的混合物，热解碳为最外层，其中，X为与硅化合在充放电过程中具有稳定结构的金属元素。

采用此技术方案，硅粉为核，硅与金属X的合金化合物和X的混合物组成复合材料的壳层，组成其内部的核壳结构，外表面为碳层包覆，改善了硅粉作为锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能，使硅基复合材料具有优异的循环和倍率性能。

其中，硅与金属X的合金化合物和X的引入有效的提高了倍率性能，其作为内部结构的核壳结构有效的抑制了硅粉充放电过程中的体积膨胀。而外层的碳层增强了导电性能，同时起到隔离硅粉与电解液直接接触的作用，还能对充放电过程中硅粉的体积膨胀起到限制作用，大大改善了硅粉作为锂离子电池负极材料在充放电过程中的循环性能和倍率性能，使硅基复合材料具有优异的循环和倍率性能。

作为本发明的进一步改进，X为Mg、Ca、Ni、Fe、Cu或Co。采用此技术方案，Mg、Ca、Ni、Fe、Cu或Co都能与硅化合在充放电过程中具有稳定结构。

作为本发明的进一步改进，X为Ni，所述硅与金属X的合金化合物为NiSi₂。

作为本发明的进一步改进，所述锂离子电池硅基负极材料采用以下步骤制备得到：