[发明专利]一种硅氧碳复合材料、锂离子电池及其制备方法、应用

说明书

本发明公开了一种硅氧碳复合材料、锂离子电池及其制备方法、应用。该硅氧碳复合材料制备方法包括如下步骤：将SiO_x粉体经炭包覆，得一次颗粒A；将一次颗粒A、石墨材料、增稠剂和粘结剂混合，经喷雾干燥、碳化，得二次颗粒B，石墨材料与一次颗粒A的质量之比为100:(5～25)，石墨材料与增稠剂的质量之比为100:(2.5～10)，石墨材料与粘结剂的质量之比为100:(5～15)；将二次颗粒B经炭包覆，即得。该硅氧碳复合材料采用包覆‑复合‑再包覆的多层次结构明显提高了所得材料的振实密度、粉末导电能力和电化学性能，首次可逆容量和首次库伦效率也明显提升。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种硅氧碳复合材料、锂离子电池及其制备方法、应用。

背景技术

目前，锂离子电池已经在3C、动力和储能领域得到广泛应用，其中，锂离子动力电池市场成为全球锂电市场快速增长的最大引擎。能量密度的提升一直是锂电池发展的方向和难点。锂离子电池经过二十多年的发展，电池制造工艺已经相当成熟，单纯依靠工艺改进来提高电池能量密度的空间非常有限。负极材料的比容量直接决定着电池的能量密度。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要采用石墨类负极材料，但其理论容量只有372mAh/g，几乎没有进一步提升的空间，无法满足未来更高比能及高功率密度锂离子电池发展的要求。因此，寻求新型高比能负极材料取代传统石墨具有非常重要的意义。

由于超高的理论嵌锂比容量(单质硅4200mAh/g、氧化亚硅1400mAh/g)和丰富的资源，硅基材料被认为是最有潜力成为下一代锂离子电池的负极材料。但在反复嵌锂过程中产生的巨大体积膨胀效应使硅颗粒极易破碎进而粉化丧失活性，具体表现为SEI膜(固体电解质界面膜)的不断生成，电池容量快速衰减，循环稳定性较差。同时低的电导率也阻碍材料的容量发挥。上述因素严重阻碍了硅基材料作为锂离子电池负极材料的规模化应用。

近年来，很多专利技术一直围绕在如何缓解硅充放电过程中的体积效应，以及如何改善材料的导电性等方面，所采用的复杂制备工艺和设备使许多影响因素难以控制，导致材料批次稳定性较差。为了满足新一代高比能锂离子电池发展的需求，追求高容量和长循环的同时必须提高硅碳负极材料的加工性能和倍率性能。

专利文献CN 106025220A公开了一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，包括内层、中间层和外层三层结构，内层为SiO_x基体，中间层为碳包覆层，外层为石墨，SiO_x基体是在晶体结构特征上具有与SiO或是Si与SiO_x的复合物相一致的特征，X的取值范围为大于0且小于2，SiO_x基体为粉末状结构，SiO_x基体平均粒径为2.0-5.0微米，SiOx基体通过Si和SiO₂高温反应、升华、冷凝技术细节制备而成的，该方法同常规硅碳复合方法相比，一定程度上提高了材料的结构稳定性，但是气相沉积包覆制备成本高，工艺难以精确控制，且其没有明确硅、石墨的配比与负极材料比容量的关系，仅说明了包覆方法对于电池循环性能的影响。

专利文献CN 103633295A公开了一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于将硅粉和氧化亚硅粉混合均匀后，再与含有有机碳源分散剂的溶液混合进行湿法球磨，然后将所得浆料、石墨基体和导电剂混合均匀后通过喷雾干燥得到球状颗粒，最后采用沥青对所得球状颗粒进行包覆和碳化得到最终材料。该方法一定程度上改善了材料的循环稳定性，但是涉及到硅基体材料的纳米化，生产效率不高，而且纳米颗粒的自团聚性难以控制，影响最终材料的电化学稳定性。

因此，如何进一步改善硅氧碳复合负极材料的加工性能和倍率性能，简化其制备工艺，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容