[发明专利]硅基负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅基负极材料及其制备方法和应用，其中，硅基负极材料包括：内核、硅酸锂包覆层和碳包覆层，内核包括硅基材料；硅酸锂包覆层包括Li₂Si₂O₅，硅酸锂包覆层设在内核的外围，硅酸锂包覆层上具有孔隙，并且硅酸锂包覆层与内核之间存在距离；碳包覆层包覆在硅酸锂包覆层上。由此，该硅基负极材料具有较高的首效和循环稳定性，并且在锂电池中装载采用该硅基负极材料制备的负极，可以提高锂电池的首效和循环性能。

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

硅基负极材料，主要包括单质纳米硅和硅氧化物，它们的优点是资源丰富、比容量高，缺点是充放电过程中体积膨胀巨大，单质硅达300％，硅氧化物稍低些也达到了150％，导致硅基负极材料的循环性能极差，不利于商业化应用。

目前，主流的碳包覆手段能有效改善硅基负极材料的循环性能，但无论采取何种碳包覆手段(气相包覆、液相包覆、固相包覆)，其碳的来源都是有机碳源的物理热解，属物理改性范畴，又因碳层的强度有限，在长期循环过程中仍有大概率破损的风险，导致硅基负极材料的循环性能较一般。

因此，急需一种特殊的包覆手段以加强硅基负极材料的循环性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种硅基负极材料及其制备方法和应用，该硅基负极材料具有较高首效和循环稳定性，并且在锂电池中装载采用该硅基负极材料制备的负极，可以提高锂电池的首效和循环性能。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种硅基负极材料。根据本发明的实施例，所述硅基负极材料包括：

内核，所述内核包括硅基材料；

硅酸锂包覆层，所述硅酸锂包覆层包括Li₂Si₂O₅，所述硅酸锂包覆层设在所述内核的外围，所述硅酸锂包覆层上具有孔隙，并且所述硅酸锂包覆层与所述内核之间存在距离；

碳包覆层，所述碳包覆层包覆在所述硅酸锂包覆层上。

根据本发明实施例的硅基负极材料，通过在内核的外围形成包括Li₂Si₂O₅的硅酸锂包覆层，该硅酸锂包覆层与内核之间存在距离，即为内核的膨胀预留了膨胀空间，当该硅基负极材料充放电时，膨胀应力相对较低，并且硅酸锂包覆层的强度大于物理热解碳层的强度，从而改善材料的循环稳定性，并且本申请的硅酸锂包覆层中仅含Li₂Si₂O₅，因结晶态的Li₂Si₂O₅不与水发生反应，在后续的匀浆过程中不存在溶出等负面问题，同时硅酸锂包覆层上具有诸多孔隙，便于锂离子的通导，降低材料的极化，另外在硅酸锂包覆层表面包覆碳包覆层，该碳包覆层能有效避免负极硅基材料与电解液的直接接触，减少副反应发生，提高首效，并且该碳包覆层本身也具有限制硅基内核膨胀的作用，从而进一步提高材料的循环性能。由此，本申请结构的硅基负极材料具有较高的首效和循环稳定性，并且在锂电池中装载采用该硅基负极材料制备的负极，可以提高锂电池的首效和循环性能。

另外，根据本发明上述实施例的硅基负极材料还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述硅基材料包括单质纳米硅和硅氧化物中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述单质纳米硅的粒径D50为5～100nm，优选的范围可列举5～20nm、20～30nm、30～50nm、50～80nm、80～100nm、30～80nm、30～100nm、50～100nm等。