[发明专利]负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池

说明书

本发明实施例提供了一种负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池，该负极材料包括多个第一颗粒和交联聚合物，多个该第一颗粒通过该交联聚合物密堆积形成第二颗粒，其中，该第一颗粒包括硅内核和壳材料包覆层，该硅内核与该壳材料包覆层之间具有空腔。本发明实施例提供的负极材料，通过交联聚合物将多个纳米级小颗粒密堆积形成的微米级大颗粒，能够有效提高该负极材料用作电池负极时电池的能量密度。

技术领域

本发明实施例涉及锂离子电池领域，并且更具体地，涉及一种负极材料及其制备方法、负极极片以及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应、自放电率小、环保等优点，是目前商业化广泛应用的一种二次电池，并作为各种便携式电子设备及电动汽车的理想储能配件。传统的锂离子电池石墨负极具有良好的循环稳定性与性价比，但目前针对商用常规石墨负极材料的开发已接近其理论极限容量(375mAh/g)。为了实现电池能量密度的进一步提高，开发具有高比容量、高库伦效率、长循环寿命的新型负极材料极具迫切性。

纳米硅材料以其高达4200mAh/g的理论容量和廉价易得等优势，被研究学者们认为是目前很有前景的锂离子电池负极材料。然而，其嵌锂-脱锂中巨大的体积变化导致的极片循环稳定性差、容量衰减快等问题限制了其产业化应用。

专利CN105304874.A发明了一种夹心中空碳/硅复合结构，该结构通过碳包覆层与硅内核间一定的中空结构，为硅的体积膨胀提供空间，保持了其在重复充放电过程中的结构稳定性，借此提高材料的循环寿命。

但是，这种纳米复合材料中的颗粒粒径仅有几百纳米，且大量的空腔结构会造成材料较低的振实密度，组装成极片后会导致电池的能量密度较低，并不适用于实际应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池，能够有效提高该负极材料用作电池负极时电池的能量密度。

第一方面，提供了一种负极材料，包括多个第一颗粒和交联聚合物，多个所述第一颗粒通过所述交联聚合物密堆积形成第二颗粒，

其中，所述第一颗粒包括硅内核和壳材料包覆层，所述硅内核与所述壳材料包覆层之间具有空腔。

在本发明实施例中，由于该交联聚合物在多个该第一颗粒间起到“粘结剂”的作用，不仅能够避免通过物理作用力堆积造成循环结构稳定性差的问题，而且能够有效提高该负极材料振实密度。

第二方面，提供了一种制备负极材料的方法，所述方法包括：

通过交联聚合物将多个第一颗粒密堆积形成第二颗粒，其中，所述第一颗粒包括硅内核和壳材料包覆层，所述硅内核与所述壳材料包覆层之间具有空腔。

在一些可能的设计中，所述通过交联聚合物将多个第一颗粒密堆积形成第二颗粒之前，所述方法还包括：将硅内核材料与模板材料混合，得到硅内核表面具有模板包覆层第三颗粒；将所述第三颗粒与壳材料混合，得到所述硅内核表面具有所述模板包覆层和所述壳材料包覆层的第四颗粒；去除所述第四颗粒中的模板包覆层，得到所述第一颗粒。

在一些可能的设计中，所述模板材料包括碳材料、氧化物、有机模板剂中的任意一种。

在一些可能的设计中，所述壳材料包括多孔碳、石墨烯、嵌锂金属、嵌锂合金、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至少一种。

第三方面，提供了一种负极极片，所述负极极片包括集流体和涂覆在所述集流体上的第一方面提供的负极材料。

在本发明实施例中，通过交联聚合物密堆积形成的大颗粒，不仅能够有效改善极片的粘结效果并避免纳米颗粒循环过程中的粉化，更适用于工业化生产。