[发明专利]一种硅碳负极材料及制备方法、电池负极片及锂离子电池

说明书

本发明提供一种硅碳负极材料及制备方法、电池负极片及锂离子电池，包括硅碳材料和补锂材料，所述补锂材料包括金属锂粉及包覆在所述金属锂粉表面的聚甲基丙烯酸甲酯‑亚硫酸丙烯酯的嵌段共聚物。通过在金属锂粉表面包覆共聚物的方法以制得硅碳负极材料，在锂离子电池的化成工艺以及后续的循环中，补锂材料外层的共聚物溶解在电解液中，使得金属锂粉可以暴露出来补充因SEI膜形成消耗掉的锂离子，且溶解后的共聚物使得负极片内部出现空隙，为后续硅碳材料的膨胀预留了空间，不仅解决了硅碳材料首次循环效率低的问题，同时也解决了硅碳材料易体积膨胀的问题；另外，本发明的补锂材料制备简单，对环境和设备的要求低，适用于工业化的连续化生产。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种硅碳负极材料及制备方法、电池负极片及锂离子电池。

背景技术

随着人们需求的不断增加，锂离子电池正在从传统小型的电子设备慢慢地转向电动自行车、新能源汽车、航空航天等大型、大功率的储能领域。近年来，锂离子电池的研究逐渐向高能量密度，长循环性能以及高的安全性指标发展。为了满足这一需要，高容量的负极材料成为众多科学家的研究方向。其中，硅基材料由于拥有最高的理论容量，引发了科学家的研究热潮和企业的产业化进程。目前产业化进程较快的硅氧碳(SiO/G)负极材料已经有推向市场的势头，但硅氧碳仍面临着首次库伦效率低、体积膨胀大、循环衰减快的问题，导致其能量密度优势不够明显。

目前很多科研机构和企业通过对硅氧碳本体材料进行预锂化处理，对硅氧碳负极极片进行补锂，来补充锂离子电池首次充电过程中的锂损耗，从而来提高首次库伦效率。主要的补锂方法包括为锂粉补锂、锂箔物化补锂和电化学预锂，但这些预锂化措施对车间环境要求高、对设备要求高、连续生产的可行性不高、还存在安全隐患，且不可在一定程度上同步解决电芯体积膨胀、循环衰减快的问题。

有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。

发明内容

本发明的一目的在于：针对现有技术的不足，提供一种硅碳负极材料，以解决现有补锂方法中对环境要求高、对设备要求高、连续生产的可行性不高、存在安全隐患、不能同步解决电芯体积膨胀和循环衰减快的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅碳负极材料，包括硅碳材料和补锂材料，所述补锂材料包括金属锂粉及包覆在所述金属锂粉表面的聚甲基丙烯酸甲酯-亚硫酸丙烯酯的嵌段共聚物。

本发明中的聚甲基丙烯酸甲酯-亚硫酸丙烯酯的嵌段共聚物(PMMA-PS)的组成成分甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯均具有较好的稳定性，且得到的PMMA-PS可以稳定存在于正常的工作车间，利用其包覆性质活泼的金属锂粉得到的补锂材料亦可以稳定存在于正常的工作车间，再将补锂材料与硅碳材料复合得到硅碳负极材料。在电池化成和后续的循环过程中，包覆层PMMA-PS溶解在电解液中，使得包覆在里层的金属锂粉暴露出来补充由于SEI膜形成消耗的锂离子，同时由于共聚物PMMA-PS的溶解使得负极片内部出现空隙，为后续硅基材料的膨胀预留了空间，大大提升了电芯的首次循环效率，降低了循环衰减快的问题。

优选的，所述聚甲基丙烯酸甲酯-亚硫酸丙烯酯的嵌段共聚物(PMMA-PS)的包覆量为所述补锂材料的2～8％。更优选的，所述聚甲基丙烯酸甲酯-亚硫酸丙烯酯的嵌段共聚物的包覆量为所述补锂材料的3～5％。具体的包覆量可根据硅碳材料的比例做出调节，如硅含量加大，则PMMA-PS的包覆量也随之加大，为硅碳材料膨胀预留空间。

优选的，所述硅碳材料包括纳米氧化亚硅和石墨，所述纳米氧化亚硅和石墨的质量比为10:90～25μm:75。更优选的，所述纳米氧化亚硅和石墨的质量比为15:85。

优选的，所述硅碳材料还包括导电剂、粘结剂和增稠剂。所述导电剂包括炭黑和碳纳米管中的至少一种。