[发明专利]一种氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用。该氧化亚硅负极材料具有核壳结构，内部核由纳米氧化亚硅、导电碳和无定形碳构成，外部包裹有聚合物‑导电碳层；内部核中纳米氧化亚硅和导电碳分散在无定形碳中；其中，导电碳的质量含量为1％‑5％，无定形碳的质量含量为10％‑20％。本发明还提供了上述负极材料的制备方法。本发明的氧化亚硅负极材料作为锂离子电池负极时，具有较高的导电率，更优的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种负极材料，尤其涉及一种氧化亚硅负极材料，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

硅基负极材料被视为现有商业化碳负极材料的替代性产品之一，然而由于在充放电过程中存在较大的体积效应而无法商业化，为此研究人员进行了大量的改性研究。基于理论研究及实验研究两方面，总结硅基负极材料的研究进展，希望对新型合金负极材料的研究有促进作用。

近年来新能源发电领域的快速发展对与之匹配的储能系统提出了新的要求。而在储能电池的更新换代中，锂离子电池由于其自身所具备的各种优点，已成为重点研究领域，并在大量的储能项目中获得了实际应用，取得了一定的成效。

锂离子电池的容量决定于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力，正负极在各种环境下的稳定性决定了电池的性能发挥，甚至严重影响电池的安全性，因此，电极的性能在一定程度上决定了锂离子电池的综合性能。

然而，目前商业化锂离子电池负极材料主要为石墨类碳负极材料，其理论比容量仅为372mAh/g(LiC₆)，严重限制了锂离子电池的进一步发展。硅基材料是在负极材料中理论比容量最高的研究体系，其形成的合金为Li_xSi(x＝0-4.4)，理论比容量高达4200mAh/g，因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度和在Li-Si合金中的高Li摩尔分数，被认为是碳负极材料的替代性产品。

然而，硅负极材料迟迟未能实现大范围的商业化应用，是因为在具备诸多优势的同时，硅负极材料同样具有若干劣势。首先，硅负极材料在充放电过程中会经历高达300％以上的体积变化，如此高的体积膨胀收缩，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触，同时体积变化带来新表面的产生，需要形成新的固体-电解质界面(SEI)从而导致对电解液的大量消耗，进而导致循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。

该材料主要利用石墨间的空隙，将纳米硅嵌入其中。作为较“柔软”的石墨可以极大的缓冲硅颗粒的膨胀，并且首次消耗的活性锂离子主要为生成SEI的需要，因此其库伦效率也处于勉强可接受的范围。但是为了缓冲纳米硅及石墨的膨胀，该材料的压实密度相对会比较低，这将导致电芯的体积能量密度下降。更为严重的，由于硅的膨胀大于300％，而正常的石墨膨胀约为10％，复合材料在充放电的膨胀收缩后，石墨很难恢复到原始的状态(即石墨与硅将由最开始的面接触转变为点接触)，将导致纳米硅失去电接触而失活，这也是硅碳材料循环衰减较快的原因之一。

目前主流的商业化的氧化亚硅复合负极材料一般都进行了碳包覆，这一方面改善了材料的导电性，同时也避免了氧化亚硅负极材料直接和电解液接触，改善了材料的循环性能。

硅基负极材料大规模应用仍然面临众多考验，进一步改善材料的循环性能及膨胀，并降低生产成本，广大科研工作者和厂商仍然任重而道远。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有较高导电率和较低体积膨胀的氧化亚硅负极材料。

本发明的另一目的在于提供上述氧化亚硅负极材料的制备方法。