[发明专利]一种纳米片状氧化亚硅及其复合负极材料

说明书

本发明公开了一种纳米片状氧化亚硅及其复合负极材料。该纳米片状氧化亚硅的化学式为SiO_x，其中0.9＜x＜1.1；并且具有纳米片状颗粒形貌；其由激光粒度仪测试的中位粒径(D50)为100‑1000nm，由氮吸附测试的比表面积为50‑150m²/g。该纳米片状氧化亚硅颗粒平面方向的平均直径为100‑1000nm，厚度为10‑50nm，且所述颗粒平面方向的平均直径与颗粒厚度的比值大于5。所述复合负极材料包含所述纳米片状氧化亚硅及添加剂，其中纳米片状氧化亚硅在复合负极材料中的质量分数为5‑50％。本发明的纳米片状氧化亚硅具有电子、离子传输距离短的优势，在电极充放电过程中能够保持导电结构稳定。基于该纳米片状氧化亚硅的复合负极材料，可以减少导电组分的用量，在提高导电性和改善循环性能的同时保持高容量。

技术领域

本发明涉及一种纳米片状氧化亚硅及其复合负极材料，属于新能源材料领域。

背景技术

近年来电动汽车、大规模储能市场的发展加速了锂离子动力电池技术的创新。目前市场对高比能量密度锂离子动力电池需求巨大。然而，传统石墨负极受限于其较低的理论比容量，已无法满足电池技术发展的需要。氧化亚硅作为锂离子电池负极材料，可以满足高比容量的要求，并且具有较好的循环寿命，因此一直以来受到学术界及产业界的关注。

但是，氧化亚硅负极材料能在商业锂离子动力电池中应用，尚需提高首周库伦效率，以及进一步改善循环性能。根据目前的研究成果，氧化亚硅负极材料的充放电机理可以描述为：

4SiO_x+4xLi⁺+4xe^-→(4-x)Si+xLi₄SiO₄..................................(1)

其中反应(2)是单质硅的脱、嵌锂反应，与硅基负极材料反应机理相同。而反应(1)是氧化亚硅首次嵌锂时发生的不可逆反应。反应(1)中生成的硅为几纳米大的硅微晶，且均匀分散在电化学惰性的Li₄SiO₄基体中。这种结构一方面可以避免硅微晶在电池循环过程中团聚，另一方面可以缓冲硅微晶在脱、嵌锂过程中的体积效应。这种结构是氧化亚硅负极材料本征良好循环性能的来源。但同时，反应(1)中生产的电化学惰性的Li₄SiO₄会消耗大量锂，是造成氧化亚硅首周库仑效率低的主要原因。

此外，氧化亚硅的导电性很差，根据文献报道其电导率数量级在绝缘体范围内(＜10^-12S/cm)，而反应(1)中生产的Li₄SiO₄的离子电导率也不高，仅为10^-10S/cm量级。因此，氧化亚硅负极材料的性能还受其导电能力的影响。导电较差时，电极中极化增加，不仅影响氧化亚硅材料容量发挥，而且导致首周时不可逆反应(1)进行不完全，影响后续循环的库伦效率。此外，电池循环时负极中氧化亚硅体积变化造成电极结构变化，部分氧化亚硅因失去导电连接失去活性。而较差的导电性能加剧了上述失效模式的影响。