[发明专利]一种硅基复合负极片及其制备方法和锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种硅基复合负极片及其制备方法和锂离子二次电池。

背景技术

锂离子电池因具有高电压、高能量密度、自放电小、长循环寿命和无记忆效应等优势，被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车及储能等领域中。为满足多种应用场景的需求，提高能量密度和使用寿命是锂离子电池现阶段开发的主要方向。

负极材料是电池中的重要组成部分，目前商用的石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，已经不能满足如富锂材料、镍锰尖晶石高电压材料等高能量正极材料的容量匹配需求。近年来，一类具有超高容量的硅系材料(理论容量4200mAh/g)作为一种大储量丰富资源，被认为是替代石墨负极的理想材料。但是硅负极材料在脱嵌锂反应过程中会发生剧烈的体积膨胀(0-300％)，从而导致电极材料的结构破坏与粉化，造成容量迅速衰减、循环寿命缩短。此外，硅负极材料本身还存在电导率低、倍率性能差、首次充放电效率低等缺陷。为了解决这些问题，目前业界主要采用纳米化、薄膜化、复合化等方式来改善硅的体积膨胀效应，提高硅的循环稳定性和倍率性能，但效果均不理想，或是循环稳定性能提升有限，或是大量非活性物质的引入极大地消弱了纯硅材料的高容量优势，或是制备过程复杂，难于实现商业化。

因此，开发一种高电导性、高容量、高结构稳定性的硅基复合负极材料是推动硅负极材料商业化进程的关键。

发明内容

鉴于此，本发明第一方面提供了一种硅基复合负极片，其具有高倍率特性和高循环稳定性，能有效改善硅的低电导率并解决其膨胀造成的粉化与极化问题，提高电极的容量与循环寿命。

具体地，第一方面，本发明提供了一种硅基复合负极片，其包括集流体、以及设置于所述集流体上的一维硅基壳核复合结构阵列，所述一维硅基壳核复合结构以原位生长于所述集流体上的核负极材料为核、以包覆于所述核负极材料外表面的硅基材料为壳，所述核负极材料为碳纳米管、碳纳米纤维、多孔碳、石墨烯、嵌锂金属及合金、钛酸锂、过渡金属氧化物、双金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物中的一种或几种，所述核负极材料呈一维垂直阵列结构排列在所述集流体上。

其中，所述硅基材料为硅单质、碳化硅及其复合物、硅氧化物及其复合物、硅碳复合物、杂原子掺杂硅及其复合物、硅合金中的一种或几种。

所述硅基材料为无定型态薄膜或粒径为1nm-2μm的晶体颗粒。

所述硅基材料形成的壳的厚度为1nm-10μm。可选地，壳的厚度为10nm-500nm、50nm-250nm、1μm-2μm、3μm-5μm、6μm-8μm。

其中，所述核负极材料呈线状、棒状、纤维状、针状、管状或锥状生长于所述集流体上。所述核负极材料的横向直径为10nm-5μm。所述核负极材料形成的阵列高度为500nm-20μm。可选地，核负极材料形成的阵列高度为4μm-10μm。

其中，所述一维硅基壳核复合结构中，所述核负极材料与所述硅基材料的质量比为1:2-100。可选地，所述核负极材料与所述硅基材料的质量比1:2-10。

可选地，所述一维硅基壳核复合结构的所述壳表面进一步设置有碳包覆层。

其中，所述碳包覆层可以是由无定型炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、掺杂碳、石墨鳞片、介孔碳中的一种或几种材料复合而成。所述碳包覆层的厚度为1nm-1μm。