[发明专利]一种高压实硅碳复合负极材料及其制备和应用

说明书

本发明属于硅碳负极材料制备领域，具体公开了一种基于低含氧多孔硅的硅碳复合材料，其包括硅碳复合颗粒和碳组分a；所述的硅碳复合颗粒包括无定型碳基底以及复合在基底中的小粒径碳颗粒b和低含氧多孔硅颗粒；所述的低含氧多孔硅颗粒包括内核以及复合在内核表面的外壳；其中，内核为局域非晶化的低含氧多孔结构硅SiO_y；外壳为薄碳包覆层；其中，0y1；所述的薄碳包覆层的厚度不高于100nm；且内核和/或外壳材料中掺杂有非金属元素E；所述的非金属元素E为硼、氮、磷、硫中的至少一种。本发明还提供了所述的材料的制备方法。本发明研究发现，所述成分以及形貌结构的材料，可以表现出更优的可逆容量、倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂电池电极材料技术领域，特别涉及一种基于低含氧多孔硅的高压实硅碳复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

硅由于具有理论容量高、安全性能好和来源广泛等优势，有望取代石墨材料作为下一代高能量密度锂离子电池的负极材料。然而，硅在充放电过程中巨大的体积膨胀和较低的本征导电性，导致电池的循环和倍率性能不佳。而一氧化硅(SiO)可在首次充放电过程中与锂离子反应生成电化学惰性的Li₂O和Li₂SiO₄，有效缓解活性材料的体积膨胀问题，改善了电池循环性能。然而，锂离子的大量消耗也使得一氧化硅的首次库伦效率低下。因此，在硅基负极材料领域，技术的重点和难点集中在如何维持硅基负极循环稳定性的同时，提高首次库伦效率。

通常来说，降低硅氧化合物中的氧含量，有利于提高首次库伦效率，而维持一定的氧含量则有利于改善循环稳定性，因此，硅基负极中氧含量的精确控制尤为重要，制备出具有合适的较低氧含量的硅基材料是获得兼具高容量、高循环稳定性和高库伦效率的关键。然而，精确控制硅氧化合物中氧含量的技术难度大，特别是难以将氧含量控制在较低水平。主要的原因是二氧化硅的还原程度难于控制，容易直接将二氧化硅还原成硅单质，且还原过程中局部热量过大，还容易造成还原产物的烧结团聚。

另一方面，碳材料由于具有导电性高、结构稳定的优点，与硅复合后可以大大增强电极的导电性和力学性能，进一步提高电池的综合电化学性能。碳与硅材料复合的过程中，为了避免硅壳的体积膨胀对碳壳造成的应力破坏问题，常采用具有多孔结构的硅材料，但该结构会造成复合材料的压实密度降低，不利于获得高面载量的电池极片以及后期的极片涂覆过程。此外，硅颗粒与碳基体之间的界面结合调节和分布状态控制也是影响硅碳复合效果的技术难点。因此，开发新的低含氧硅制备工艺，以及在此基础上的高压实硅碳复合技术是获得低成本高品质硅碳复合负极材料的重要解决途径。

发明内容

针对现有技术的不足，改善硅材料中氧含量难以控制以及硅碳复合材料压实密度较低、界面结合不牢的问题，本发明第一目的在于，提供一种基于低含氧多孔硅的硅碳复合负极活性材料，旨在改善循环稳定性、首次库伦效率、倍率性能等电化学性能。

本发明第二目的在于，提供了一种通过低温熔盐还原机制制得所述的低含氧多孔硅的制备方法，旨在通过全新的制备思路获得具有大可逆容量、优异倍率性能、高首次效率及循环稳定性的负极活性材料。

本发明第三目的在于，提供了所述的硅碳复合材料的锂二次电池中的应用。

本发明第四目的在于，提供一种包含所述的硅碳材料的锂二次电池。

一种基于低含氧多孔硅的硅碳复合材料，包括硅碳复合颗粒和碳组分a(大粒径碳颗粒a)；

所述的硅碳复合颗粒包括无定型碳基底以及复合在基底中的小粒径碳颗粒b和低含氧多孔硅颗粒；

所述的低含氧多孔硅颗粒包括内核以及复合在内核表面的外壳；其中，内核为局域非晶化的低含氧多孔结构硅SiO_y；外壳为薄碳包覆层；其中，0y1；所述的薄碳包覆层的厚度不高于100nm；且内核和/或外壳材料中掺杂有非金属元素E；所述的非金属元素E为硼、氮、磷、硫中的至少一种。