[发明专利]一种改性硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明实施例提供了一种改性硅基负极材料，包括硅基负极材料和设置于所述硅基负极材料表面的改性层，所述改性层包括含磺酸基的硅烷偶联剂，所述含磺酸基的硅烷偶联剂包括硅原子，以及与所述硅原子相连的非水解基团和可水解基团，所述磺酸基连接在所述非水解基团的末端，所述含磺酸基的硅烷偶联剂通过所述可水解基团与所述硅基负极材料形成化学键合。该改性硅基负极材料在电池循环过程中表面能均匀生长SEI膜，且能使负极具有良好的离子导电性，从而能够提高负极的功率性能和循环稳定性。本发明实施例还提供了改性硅基负极材料的制备方法和锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种改性硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有较高的能量密度和功率密度、小体积、高安全、环境友好等优势，已经在消费电子、移动终端、通信储能等领域得到广泛应用。尤其是对于智慧手机等移动终端设备，随着其功能的逐步强大和使用频率的提高，消费者对于长续航和快充的需求越来越强烈。然而目前锂离子电池的制程工艺已经达到极限，想要进一步获得性能的提高只能依靠材料的开发和优化。

负极材料是锂离子电池实现性能提高的最关键材料之一，在众多新型负极材料中，硅材料的理论比容量为4200mAh/g，是石墨的10倍以上，而且还具有环境友好、储量丰富等特点，很早就被考虑作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料，可以提高电芯的能量密度。然而，硅负极材料的缺点也相当明显，例如：(1)硅负极材料在锂离子嵌入脱嵌过程中，会产生剧烈的体积膨胀(100％～300％)，在材料内部产生较大的内应力，对材料结构造成破坏，电极材料从集流体上脱落，同时硅表面的SEI膜不断重复形成-破裂-形成，共同降低了电极的导电性和循环稳定性；(2)硅为半导体材料，嵌锂过程为合金化反应，而石墨为导体，嵌锂过程为插入脱出反应，这样就导致锂离子在硅中的脱嵌过程动力学比石墨慢，不可逆程度大，进一步降低了其首次库伦效率；(3)此外硅负极材料作为无机材料，其表面基团与有机电解液相容性较差，即与有机电解液不匹配，电极界面浸润时间较长且浸润均匀性差，容易在电池循环过程中造成SEI膜生长不均匀，最终引起容量衰减。

为解决上述问题，目前业界通常在硅负极材料表面进行碳包覆，在硅负极材料和有机电解液之间建立保护界面，该碳包覆层可一定程度上缓解体积膨胀并提高导电性，但是仍然存在与电解液不匹配的问题，且受工艺限制该碳包覆层通常厚薄不均，后续电池循环过程中，这种不均匀包覆会进一步加剧SEI膜生长不均匀从而造成容量衰减。因此，有必要开发一种改性硅基负极材料，其在电池循环过程中表面能均匀生长SEI膜，且具有良好的离子导电性。

发明内容

鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种改性硅基负极材料，其在电池循环过程中表面能均匀生长SEI膜，且具有良好的离子导电性，以解决现有硅基负极材料在电池循环过程中易造成SEI膜生长不均匀，最终引起容量衰减，以及硅基负极材料离子导电性不佳导致首次库伦效率低的问题。

具体地，本发明实施例第一方面提供了一种改性硅基负极材料，包括硅基负极材料和设置于所述硅基负极材料表面的改性层，所述改性层包括含磺酸基的硅烷偶联剂，所述含磺酸基的硅烷偶联剂包括硅原子，以及与所述硅原子相连的非水解基团和可水解基团，所述磺酸基连接在所述非水解基团的末端，所述含磺酸基的硅烷偶联剂通过所述可水解基团与所述硅基负极材料形成化学键合。

本发明第一方面中，所述含磺酸基的硅烷偶联剂包括三个所述可水解基团，三个所述可水解基团分别选自-Cl、-OCH₃、-OCH₂CH₃、-OC₂H₄OCH₃、-OSi(CH₃)₃、-OOCCH₃中的任意一种，至少一所述可水解基团经水解后与所述硅基负极材料形成化学键合，所述非水解基团选自C₁-C₂₀烷基、烷基胺基、酰胺基、C₂-C₂₀烯基、芳基中的任意一种。