[发明专利]H-Si-O体系材料、负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料及电化学电池

说明书

本发明提供一种负极活性材料，为类层状硅酸盐结构，包括H、Si、O，并且包括或不包括其他金属元素，当包括其他金属元素时，所述其他金属元素与Si的摩尔比≤0.40。本发明还提供一种负极活性材料的制备方法，一种电化学电池负极材料，一种电化学电池及一种H‑Si‑O体系材料。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种新型层状H-Si-O体系材料、负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料及电化学电池。

背景技术

当今，人们对纯电动汽车和消费类电子产品的需求与日俱增，以锂离子电池为代表的新一代电化学电池以其相对于传统镍镉电池、镍氢电池具有的高能量密度、高功率密度、长循环寿命越来越受到重视。在锂离子电池中，负极活性材料是与锂离子发生可逆的电化学反应并提供可逆脱嵌锂容量的物质。

目前广泛采用的负极活性材料为石墨类材料，其理论容量为372mAh·g^-1，具有循环性能好、脱嵌锂过程中体积变化小等优点。但碳材料表面碳原子具有大量的不饱和键，在首次充电时电解液会在它们表面分解，形成SEI(Solid Electrolyte Interface)膜，使电池首次放电时循环效率较低。另一种已应用的负极活性材料为钛酸锂，其具有较高的离子传导率，且在锂离子电池首次充放电过程中不需要形成SEI膜，从而具有较高的能量转换效率。但钛酸锂的电子导电性较差且具有较高的放电电压平台。目前仍在研究中的负极活性材料还有合金负极材料，例如硅、铜、锡等，其通过与锂形成合金化合物提供可逆充放电容量，其中硅的理论比容量高达4200mAh·g^-1，但合金负极材料在反复脱嵌锂过程中存在较大的体积膨胀和收缩，从而在多次循环后与导电剂分离甚至从集流体表面剥落。现有技术中有将多孔二氧化硅经过镁热还原制备为多孔硅，通过孔道作为缓冲，抑制充放电过程体积变化，但镁热还原反应复杂，难以兼顾电池制造成本降低的需要。

发明内容

基于此，确有必要提供一种新型负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料、电化学电池及H-Si-O体系材料。

一种负极活性材料，具有类层状硅酸盐结构，包括H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比≤0.40。

在其中一实施例中，所述类层状硅酸盐结构包括多个相互层叠的硅氧四面体层。

在其中一实施例中，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层之间的第一金属元素M₁，M₁与Si的摩尔比≤0.25。

在其中一实施例中，M₁与Si的摩尔比≤0.03。

在其中一实施例中，所述硅氧四面体层为掺杂的硅氧四面体层，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层中取代部分Si位于四面体中心的第二金属元素M₂，M₂与Si的摩尔比≤0.33。

在其中一实施例中，所述其他金属元素选自Al、Mg、Fe、Ca、Zn、Li、K及Na中的一种或多种。

在其中一实施例中，所述H与部分O以结构水和/或结晶水的形式存在，所述结构水以H⁺、OH^-、和/或H₃O⁺形式存在，所述结晶水以H₂O形式存在。

在其中一实施例中，所述的负极活性材料，由层状硅酸盐经离子置换，使至少部分金属元素与氢离子交换，然后经热处理并保持层状硅酸盐的硅氧四面体层结构得到。

一种H-Si-O体系材料，具有类层状硅酸盐结构，包括H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比≤0.40。