[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。锂离子电池负极材料具有三层核壳结构，由内核材料、氧化亚硅中间层和碳包覆外层组成。内核材料表面经过非氧化性气氛预处理，通过升温与氧化亚硅蒸汽形成特定的温度梯度，使表面沉积有纳米氧化亚硅层。通过调节元素掺杂碳包覆层与氧化亚硅沉积层厚度，得到了具有高电子电导、低体积膨胀，优异循环性能及倍率性能的锂离子电池负极材料。制备方法包括以下步骤：1)将能够产生氧化亚硅蒸汽的材料放入反应仓，将内核材料放入回转收集仓，抽真空后升温；2)氧化亚硅气相沉积到内核材料表面；3)冷却降温后，对收集仓中的材料进行碳包覆。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们对不可再生能源的过度开采与利用，能源短缺与环境污染问题愈发严重。应用具有高能量密度、长循环寿命与环境友好特点的锂离子电池技术，是缓解能源与环境问题的有效方法。

锂离子电池已经在动力电池、便携式设备及大型储能领域广泛使用。商业化锂电池大多采用石墨体系作为负极，由于石墨负极本身的理论储锂容量较低，限制了锂电池向高比能量方向的发展。对于当前成熟的石墨类碳负极材料，其嵌锂能力基本已被充分发挥，难以实现这一目标。近年来，科研工作者们围绕着锂离子电池负极材料展开了大量的探索性工作，研究表明许多新型负极材料在拥有较大的理论容量的同时也拥有巨大的体积膨胀,例如硅基负极，锗基负极,锡基负极。与传统石墨不足10％的体积膨胀率相比,高容量负极材料严重的体积膨胀给电池带来了新的问题。

随着研究工作的深入，研究人员发现在高容量负极中氧化亚硅负极材料由于在充放电过程中会产生氧化锂和硅酸锂保护层，从而可以缓冲体积膨胀，易于实现优异的循环稳定性。目前，通常将间歇生产的碳包覆氧化亚硅材料与其他负极材料混合使用来提高锂离子电池能量密度，然而常用的机械混合方式，因颗粒尺寸较大，导致氧化亚硅嵌脱锂过程中颗粒极易粉化破裂，电池容量快速衰减，不能有效的发挥负极材料与氧化亚硅材料复合的优势。

本发明通过气相沉积方式将氧化亚硅均匀包覆在内核材料表面，形成纳米级包覆层，有效解决了氧化亚硅自身固有的导电性差和体积变化较大的缺陷，同时也提高了负极材料的可逆容量。碳层均匀的包覆在外表面形成稳定的核壳结构，一方面能有效提高负极材料的电子导电性，另一方面能够有效的缓解材料的体积膨胀，提升材料的循环稳定性。负极材料与氧化亚硅材料在同一生产设备中复合，制备方式简单有效，有利于工业化大规模生产，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种具有氧化亚硅与碳包覆层包覆的具有核壳结构的负极材料。结合了内核材料(金属及其金属氧化物、非金属)与SiO_x负极材料优势，提高了当前锂离子电池的负极材料的能量密度与循环寿命。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个目的是提供一种锂离子电池负极材料，特点为具有核壳结构，由内到外包括内核材料、中间层、外壳层；其中中间层为氧化亚硅，碳包覆层为外壳层，内核材料为金属或其金属氧化物、或非金属。

在本发明优选技术方案中：

所述非金属包括但不限于软碳、硬碳、晶质石墨、隐晶质石墨、人造石墨、导电石墨、单晶硅、多晶硅、非晶硅或金属硅。优选为鳞片石墨；所述非金属材料的平均粒径为2-50μm，优选为5-15μm。所述碳的粒径为2-20μm，优选地，粒径为5-15μm。

所述金属及其金属氧化物选自钛、铁、锰、锗、锡及其氧化物中的一种。优选地，所述金属及其金属氧化物为锗，锡及其氧化物。

所述氧化亚硅可表示为SiO_x，0x2，x数值为平均数值。优选地0.8≤x≤1.6。