[发明专利]一种氧化亚硅复合负极材料的制备方法及其产品

说明书

本发明公开了一种氧化亚硅复合负极材料的制备方法，以硅单质与二氧化硅为初始原料，经归中反应生成氧化亚硅；将氧化亚硅汽化后通入放置有碳材料的化学气相沉积炉中，经化学气相沉积后得到初产物；最后进行碳包覆，得到氧化亚硅复合负极材料。制备得到的复合负极材料具有三明治式的夹层结构，以碳材料为核，在碳材料外表面均匀包覆氧化亚硅，最外层包覆有均匀碳层。以该复合负极材料组装得到的锂离子电池具有较高的容量与较佳的循环稳定性，尤其具有超高的首次库伦效率，最高可达90％。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料领域，尤其涉及一种氧化亚硅复合负极材料的制备方法及其产品。

背景技术

随着新能源汽车行业的蓬勃发展，对锂电池这一类储能设备提出了更高的要求，电池是汽车的动力源泉，其安全性能，续航能力、循环稳定性等都与锂电池的负极材料息息相关，因此制备更加具有更加优异性能的锂电池负极材料显得尤其重要。然而，目前最先进的锂离子电池已不能满足电动汽车和大规模能源电池日益增长的需求。硅被认为是最有希望取代石墨的候选者。它是地壳中第二丰富的元素，对环境友好，具有超高的理论容量(4200mAh/g)。然而，在锂嵌入/脱出过程中体积的剧烈变化造成了严重的不利后果，导致循环稳定性非常差。

相比于硅单质，氧化亚硅材料在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小，但同样具有较高的理论比容量(＞2000mAh/g)，且制备成本低廉，因此成为极具潜力的一类负极材料。但氧化亚硅材料在嵌锂的过程中会生成 Li₂O和Li₄SiO₄等非活性产物，从而导致部分Li失去活性，致使首次充放电效率较低(＜70％)，严重影响了其实际应用。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种氧化亚硅复合负极材料的制备方法，制备得到的负极材料具有较高的容量与较佳的循环稳定性，尤其具有超高的首次库伦效率，有望作为锂离子电池的负极材料使用。

具体技术方案如下：

一种氧化亚硅复合负极材料的制备方法，以硅单质与二氧化硅为初始原料，经归中反应生成氧化亚硅；将氧化亚硅汽化后通入放置有碳材料的化学气相沉积炉中，经化学气相沉积后得到初产物；最后进行碳包覆，得到所述的氧化亚硅复合负极材料。

本发明公开的制备方法，以硅单质与二氧化硅为初始原料，经过归中反应生成氧化亚硅，再将其汽化，以气体的形式均匀沉降包裹在碳材料表面，由于氧化亚硅具备较小的体积膨胀，且均匀沉积碳材料表面，而碳包覆的外层避免了氧化亚硅和SEI层的直接接触，从而避免了氧化亚硅的脱落和粉化，减少了氧化亚硅的损失的同时也减少锂离子再嵌入脱出过程的损耗，从而显著提高首次库伦效率。

本发明还对生产设备进行了改进，通过耐高温的管道架构连接管式炉和化学气相沉积炉，使得归中反应在管式炉中进行，而气相氧化亚硅的沉积在化学气相沉积炉中进行，通过分别控制实验温度和气氛氛围，程序性的升降温控制，使反应物反应充分，且不引入其他干扰杂质，氧化亚硅以气体的形式通入，降温后均匀沉积在碳材料表面。

经试验发现，若将所有原料均一次性投入化学气相沉积炉中，即将归中反应与气相氧化亚硅的沉积均在同一设备中进行，会导致氧化亚硅混杂于碳材料表面，且不规则，所形成的碳包覆材料形状不规则，薄厚程度不均一，容易粉化脱落与SEI膜接触而损耗，降低了首次库伦效率。

优选的：

所述硅单质选自微米级高纯硅，纯度不低于99.9％，D50为2～100μm；

所述二氧化硅选自微米级高纯二氧化硅，纯度不低于99.9％，D50为 2～100μm。

采用上述优选的纯度与粒径的原料无需进一步研磨加工，而过小的颗粒容易发生团聚不利于反应的进行。

所述归中反应的方程式如下：