[发明专利]硅基负极材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硅基负极材料、其制备方法及锂离子电池。该硅基负极材料包括：多孔Si‑SiO_x复合物，其中0＜x≤2；锂金属包覆层，包覆在多孔Si‑SiO_x复合物上；无定型碳包覆层，覆盖在锂金属包覆层的外表面上。通过上述锂金属包覆层以及无定型碳包覆层的协同作用，得到的硅基负极材料不仅可以显著地提高硅基材料的导电性，减小电流的极化，提高倍率性能，同时可以有效缓减硅基材料的体积膨胀效应，提高电池的循环稳定性。且该硅基负极材料的原料来源广泛，生产成本较低。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种硅基负极材料、其制备方法及锂离子电池。

背景技术

与石墨、钛酸锂等传统常用负极材料相比，硅因其4200mAh/g的理论容量占据绝对的优势，尤其是对于锂离子电池单体电芯能量密度的提升大有帮助。但是硅作为负极材料时在锂离子脱嵌锂的过程中会发生明显的体积膨胀效应，从而导致负极材料粉碎、加剧负极材料与电解液的不可逆反应，进而严重影响锂离子电池的电化学性能和使用寿命。现有技术中对硅进行改性的多数处理包括：将微米级硅粉纳米化、通过掺杂包覆使硅基材料复合化或者从材料结构本身出发制备具有特殊三维核壳结构的材料。目前研究热点集中在以下几个方面：一、通过特殊的工艺方法制备特殊结构的硅基负极材料以减少体积膨胀效应来提高材料的性能；二、氧化亚硅的体积膨胀更小，通过氧化亚硅与碳材料的掺杂包覆，改善其性能，提升能量密度；三、在硅基材料中引入金属元素以提高材料的导电性，然而，现有技术中的上述方法对硅基负极材料的容量提升有限。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅基负极材料、其制备方法及锂离子电池，以解决现有技术中的硅基负极材料的容量较低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种硅基负极材料，该硅基负极材料包括：多孔Si-SiO_x复合物，其中0＜x≤2；锂金属包覆层，包覆在多孔Si-SiO_x复合物上；无定型碳包覆层，覆盖在锂金属包覆层的外表面上。

进一步地，上述多孔Si-SiO_x复合物、锂金属包覆层与无定型碳包覆层的质量比为1：0.017～0.035:0.008～0.035，优选为1:0.035:0.035。

进一步地，上述锂金属包覆层的厚度为100～300nm，优选无定型碳包覆层的厚度为200～270nm，优选无定型碳的粒径为15～120nm。

进一步地，上述多孔Si-SiO_x复合物的孔径为100～200nm，优选多孔Si-SiO_x复合物的粒径为8～30μm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种前述的硅基负极材料的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，采用锂金属对多孔Si-SiO_x复合物进行预锂化处理，得到预锂化复合物；步骤S2，将碳源与预锂化复合物混合后进行热解处理，得到硅基负极材料。

进一步地，在上述步骤S1中，多孔Si-SiO_x复合物与锂金属的质量比为1：0.02～0.04，优选为1：0.04，优选锂金属的粒径为10～50nm，优选预锂化处理选自化学气相沉积法、真空蒸镀法、磁控溅射法、高能球磨法中的任意一种或多种。

进一步地，上述制备方法还包括多孔Si-SiO_x复合物的制备过程：将微米级硅粉、镁金属进行第一高能球磨，得到第一混合物；将第一混合物进行氧化处理，得到Si-SiO_x/MgO复合物，其中0＜x≤2；采用强酸对Si-SiO_x/MgO复合物进行刻蚀处理，得到多孔Si-SiO_x复合物；优选微米级硅粉与镁金属的摩尔比为1:0.05～0.3，优选氧化处理的温度为600～1200℃，优选氧化处理的时间为5～12h。