[发明专利]一种锂电池含硅锡合金负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂电池含硅锡合金负极材料及其制备方法，所述制备方法包括：步骤一，制备硅锡合金薄片：以锡，硅，以及其他金属物质作为合金原料，将合金原料放入甩带机中，在氧气环境下使合金原料进行熔融和甩带处理后得到硅锡合金薄片；步骤二，研磨：在振动球磨机中添加保护膜混合原料，以及步骤一制备的硅锡合金薄片；然后使用振动球磨机进行研磨，得到硅锡合金粒子材料。本发明中通过对硅锡合金进行非晶化处理，将其因体积膨胀产生的机械作用力分散至粒子整体，从而降低因作用力集中而造成的粒子受损程度。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其是一种锂电池含硅锡合金负极材料及其制备方法。

背景技术

锂电池目前主要运用于电动汽车(车载动力锂电池)以及手机等3C产品(聚合物电池)领域。随着锂电池市场的不断扩增，寄望其突破更高电池容量的呼声也愈加高涨。围绕如何提高锂电池容量这一现实问题，电池领域诸多技术研究人员正在积极开展适用于锂电池正极材料、负极材料、隔膜和电解液等方面的科研活动。

就其中的负极材料而言，现行的锂电池负极材料还是主要以石墨(碳素)为主，然而石墨负极的容量已经接近其理论容量(372mAh/g)，提升空间十分有限。究其原因在于锂电池充电后生成的锂原子和碳原子的摩尔比为Li:C＝1:6(LiC₆)，也就是说一个碳原子可存储的电荷量仅1/6个电子。而锂原子与硅原子的元素比为Li:Si＝15:4(Li₁₅Si₄)，即一个硅原子可储存的电荷量为3.75个电子。由此推算，如果在含锡负极材料中加入一定比例的硅，锂电负极容量理论上最大可提升至4200mAh/g。

然而，含硅锡合金电极在充电状态下，1个硅原子可吸附3.75个电子，因此导致了显著的体积膨胀。负极材料剧烈的体积膨胀和主体结构的被破坏，导致了电极材料的破碎与粉化，使其与负极板集流体脱离，丧失电接触，无法再发挥作为负极的作用。每一次的充放电循环，都会增加受损(断裂)粒子的比例，以此往复，最终将导致电池容量的极大降低。

充电状态下含硅锡合金负极的膨胀模式如图1所示，与现行石墨负极1个锂原子比6个碳原子的元素比不同，含硅锡合金负极则是15个锂原子比4个硅原子的配比，该比例使得其最大膨胀率可达360％，像这样的高膨胀率给粒子造成的损伤是不可忽视的。

体积膨胀造成的粒子受损(断裂)模式如图2所示。由于受损(断裂)后的粒子失去了与负极板铜箔的电接触，从而成为丧失了充放电性能的“无用”粒子。据观测，这些“无用”粒子性能的丧失会直接导致电池整体容量的低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种锂电池含硅锡合金负极材料及其制备方法，即通过在锡中添加硅及其它金属物质制备出性能稳定的硅锡合金负极材材料。

本发明采用的技术方案如下：

一种锂电池含硅锡合金负极材料的制备方法，包括：

步骤一，制备硅锡合金薄片：

以锡，硅，以及其他金属物质作为合金原料，将合金原料放入甩带机中，在氧气环境下使合金原料进行熔融和甩带处理后得到硅锡合金薄片；

步骤二，研磨：

在振动球磨机中添加保护膜混合原料，以及步骤一制备的硅锡合金薄片，所述保护膜混合原料为金属原料、碳源物质和甲氧基乙醇混合调配而成；然后使用振动球磨机进行研磨，得到硅锡合金粒子、碳源粒子、金属原料粒子和金属碳化物，并使碳源粒子、金属原料粒子和金属碳化物组成的混合层覆盖在硅锡合金粒子表面，得到硅锡合金粒子材料；其中，所述金属原料粒子和金属碳化物偏析在碳源粒子的间隙中；所述金属碳化物为金属原料粒子在研磨过程中分解后与碳源粒子表面的碳元素结合形成。

进一步地，所述其他金属物质可以是铜、锌、镍、铬、锰和钴中的一种或多种。