[发明专利]一种硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开的一种硅基负极材料及其制备方法，包括内核、多孔中间层和外壳，所述内核为碳基体材料，多孔中间层为SiO_x/Si/Li₂O_y复合物，外壳为碳包覆层；所述多孔中间层以硅藻土为硅源，其中1≤x≤2，3≤y≤5；本发明旨在解决硅基负极材料的膨胀，在不降低导电性的基础上提高材料首次库伦效力，同时以硅藻土为硅源，降低材料制备成本，有利于实现硅基负极材料的工业化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硅基负极材料。

背景技术

能量密度的提升一直是锂离子电池技术发展的主旋律，一种是通过优化电池结构，如宁德时代CPT技术、比亚迪“刀片电池”等思路；另一种着力于突破高容量材料的技术壁垒，这也是目前电池厂家采取的主流方式。正负极材料是提升锂离子电池能量密度的关键，虽然正极材料在电池中占据核心地位，但石墨类负极材料的理论克容量为372mAh/g，成为其能量进一步提升的限制条件，硅基复合材料具有较高的比容量及较低的脱嵌锂电位，被认为是最具潜力的新一代锂电池负极材料。

硅基材料在充放电过程中会产生约300％体积变化，从而引发电极开裂、剥离和粉化，最终造成电极容量衰减甚至完全失效，为了改善硅基负极材料的循环稳定性，通常将硅材料纳米化，主要研究方向有：硅纳米颗粒、硅纳米线、硅薄膜和3D多孔硅等，但复杂结构纳米颗粒以及一维纳米线等制备技术难度大，工艺复杂，且成本较高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种硅基负极材料及其制备方法，解决硅基负极材料的膨胀，在不降低导电性的基础上提高硅基负极材料的首次库伦效力，改善硅基负极材料的循环稳定性；同时以硅藻土为硅源，降低材料制备成本，有利于实现硅基负极材料的工业化生产。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅基负极材料，包括内核、多孔中间层和外壳，所述内核为碳基体材料，多孔中间层为SiO_x/Si/Li₂O_y复合物，外壳为碳包覆层；所述多孔中间层以硅藻土为硅源，其中1≤x≤2，3≤y≤5。

进一步的，所述碳基体材料为层片状或线状，所述碳基体材料为天然石墨、人造石墨、软碳、硬碳中至少一种，所述天然石墨为鳞片石墨。

本发明还提出一种硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，硅藻土经预处理得到纯化的多孔SiO₂粉末；

步骤二，将步骤一得到的多孔SiO₂粉末与锂粉混合，在惰性气氛下进行热处理，得到多孔SiO_x/Si/Li₂SiO_y复合物；

步骤三，将步骤二中得到的多孔SiO_x/Si/Li₂SiO_y复合物、碳基体材料和分散剂分散在溶剂中，湿法研磨得到分散均匀的前驱体浆液。

步骤四，将步骤三得到的前驱体浆液进行喷雾干燥、融合、造粒后进行高温碳化和气相包覆，最终得到硅基负极材料。

进一步的，所述步骤一中硅藻土预处理具体操作为：将硅藻土热处理去除有机质，然后破碎、酸洗、水洗、烘干、粉碎，得到纯化的多孔SiO₂粉末；所述热处理加热温度为400℃-750℃，保温1h-4h；所述酸洗采用质量分数大于70％的硫酸，在70℃-100℃、液固比(2-5):1下酸洗1h-4h；所述酸洗和水洗交替进行直至洗液的pH在6-8之间。

进一步的，所述步骤二中，所述锂粉和SiO₂粉末的质量比为1:(0.5-3)；所述热处理温度为600-900℃。