[发明专利]一种硅基锂离子电池负极活性材料及其制备和应用

说明书

本发明提供一种硅基锂离子电池负极活性材料及其制备和应用，所述硅基锂离子电池负极活性材料包括多孔还原氧化石墨，及附着于多孔还原氧化石墨孔隙中的包覆了导电聚合物的多孔硅材料；所述多孔还原氧化石墨的孔径为50nm～2μm；所述导电聚合物包覆层的厚度为50nm～200nm；所述多孔硅的孔径为100nm～300nm。所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上。本发明应用于锂离子电池负极中时具有不易粉化，稳定性好，循环次数多等显著优点。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体的说涉及一种锂离子电池负极活性材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种可充电电池，充放电过程中依靠锂离子在正负极之间移动来完成工作。锂离子电池在便携式电子设备、动力汽车等储能领域中的应用日益普及，发展更高能量密度和功率密度的锂离子电池也成了当今储能科技工作中的重要研究方向。而锂离子电池的进一步发展很大程度上取决于负极材料的容量和高倍率大电流放电性能的大幅提升。目前，商业化石墨类负极材料由于理论容量(372mA h/g)的瓶颈，限制电池容量的提升。另一方面，石墨负极在充放电过程中会形成锂枝晶，进而刺穿隔膜导致电池短路，甚至爆炸，对使用安全造成了威胁。因此，发展大容量、高安全的负极材料成为锂离子电池研究的重点。铝、硅、锡等放电比容量较高的合金负极材料受到较大的关注，其中，硅由于其理论容量高达4200mA h/g(Li₂₂Si₅)，且嵌锂电位较低(0.2V vs.Li⁺/Li)，被视为最具潜力的高能量负极材料。

硅基负极材料虽然理论放电容量较高且嵌锂电位较低，但是其本身存在电导率较低(10^-3S/cm)以及锂离子在体相硅中的扩散系数低(10^-14～10^-13cm²/s)的缺点。而导致其循环性能下降的最主要原因是硅在嵌锂的过程中体积膨胀高达300％，脱锂过程中收缩，进而材料粉化，材料与集流体丧失电接触，而且暴露出来的硅表面与电解液中的LiPF₆分解产生的HF发生反应，使硅表面不能形成稳定的柜体电解质膜，不断消耗电解液，导致电池循环稳定性和循环性能变差。针对上述问题，研究者们提出了各种微/纳结构和表/界面结构对硅进行改性，包括：①纳米粒子、核壳结构等；②多孔硅；③纳米线、纳米管、纳米纤维等；④硅基复合物，包括硅/碳、硅/聚合物、硅/金属、硅/金属间化合物。近几年来，硅基负极的研究取得了显著的进展和重大的突破：受石榴石启发而设计的纳米结构，以C/2倍率充放电循环1000次，比容量和体积容量分别达到1160mA h/g和1270mA h/cm3；微孔Si/C材料在400mA/g电流密度下充放电循环150次，比容量和体积容量分别为1600mA h/g和1088mA h/cm³；低成本、双壳Si@SiOx@C核壳结构在100mA/g和500mA/g电流密度下循环100次比容量分别达到1450mA h/g和1230mA h/g。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，发明了一种硅基锂离子电池负极活性材料，该材料应用于锂离子电池负极中时具有不易粉化，稳定性好，循环次数多等优点。本发明采用以下具体方案来实现：

一种硅基锂离子电池负极活性材料，包括多孔还原氧化石墨，及附着于多孔还原氧化石墨孔隙中的包覆了导电聚合物的多孔硅材料；所述多孔还原氧化石墨的孔径为50nm～2μm；所述导电聚合物包覆层的厚度为50nm～200nm；所述多孔硅的孔径为100nm～300nm。

所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或两种以上。

所述多孔还原氧化石墨与多孔硅的质量比为1:2～2:1；所述导电聚合物与所述多孔硅的质量比为1:10～1:5。

所述多孔还原氧化石墨的孔容积为1～2cm³/g；所述多孔硅的孔容积为0.5～1cm³/g。