[发明专利]锂离子电池负极材料

说明书

本发明提供一种锂离子电池负极材料，包括多个二次粒子，所述二次粒子是由多个包覆有含碳原子的包覆膜的硅基材料的一次粒子所聚集而成，所述二次粒子包覆有另一层含碳原子包覆膜。使得该负极材料具有优异电容量与循环寿命等优点。所述二次粒子还进一步可以与石墨材料、导电材料、陶瓷材料相混合，形成复合型锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明提供一种锂离子电池负极材料，尤其指一种硅基材料微米球体结构的锂离子电池负极材料。

背景技术

硅基材料作为锂离子电池的负极材料，其首次理论电容量可达到4200mAh/g，但是研究发现，充放电过程中材料的体积变化很大，在N.Dimov等人发表于ElectrochimicaActa,2003,48(11),p1579的文章提到，使用锂-硅等锂离子合金系统的锂离子电池负极材料，体积将会膨胀至300％，造成负极材料内部崩裂(internal cracks)，导致锂离子电池循环寿命下降。

如果将硅基材料尺寸降至纳米等级，如H.Li等人发表于Electrochemical andSolid State Letters,1999,2(11),p547的文章提到，将纳米硅与导电添加剂均匀分散形成的复合材料，可逆电容量为1700mAh/g，但是该材料的首次库伦效率差(65％)与循环性不佳，主要在充放电过程中硅基材料与电解液直接接触，表面生成钝化膜(solidelectrolyte interphase,SEI)，消耗电解液中的锂离子，降低充放电的容量。

有研究为了抑制硅基材料体积膨胀的问题，提供了一种体积缓冲材料，部分体积缓冲材料与硅基材料接触、硅基材料埋落于海绵网状结构或多孔性结构给予体积膨胀的缓冲空间[1][2][3][4]。也有研究指出使用具有一定的柔软性与机械强度、化学稳定性和电子导电性的基材如石墨烯与纳米碳管，能改善其体积膨胀与硅基材料本身导电性差的问题[5][6][7]。但是如果硅基材料分散不均、缓冲材料厚度过厚与孔隙通道不足将影响锂离子嵌脱量，降低了充放电电容量与循环寿命。

碳材料的添加与结构上修饰虽然能改善硅基材料在充放电过程中，锂离子嵌入嵌出导致硅基材料破碎的问题，但添加量过多，将失去硅基材料的高电容量特性。

另外有研究制备出中心为硅基材料，保有缓冲空间的空心结构，外壳为导电碳材料，给予一个较大的空间缓解膨胀，也避免了颗粒间互相挤压造成材料脱落[8][9]。但由于给了个缓冲空间，反而影响到中心的硅基材料与外壳导电碳基材料的接触，造成电荷传递减少，降低充放电电容量。

因而，有研究提供硅基材料/碳基材料核壳结构纳米复合材料，碳基材料甚至是导电材料直接包覆于硅基材料表面，两者紧密结合，当硅基材料为纳米尺寸，抑制体积膨胀现象，外壳核膜材料也提供稳定包覆强度[10][11][12][13][14][15]，但是纳米化的硅基材料比表面积大，充放电过程中表面生成钝化膜，大量消耗锂离子，因而降低可逆电容量。

另一研究提供了一种硅碳复合负极材料，将表面包覆碳层的纳米硅颗粒与热解碳材料一同由喷雾造粒成微米级颗粒[16]。依靠碳载体为电子提供传输信道和支撑骨架，提供材料结构的稳定性，该材料致密特性可阻止溶剂锂离子进入微米级颗粒。但硅碳纳米材料含量高，降低了可逆电容量，如果微米级颗粒存在大量碳材料，提供好的循环寿命，却无法显现硅材料本身高的电容量特性。

参考文献:

[1]CN101777651A

[2]CN102709563A

[3]CN102299330A

[4]CN104577081A

[5]CN103346325A

[6]CN103715405A

[7]CN102394287A