[发明专利]硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池领域，并具体公开了硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用。该负极材料具有预设数量的硅/石墨涂层，并且预设数量的硅/石墨涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布，从而在保证负极材料载量的情况下，缓解由于大变形导致的负极材料上表面的开裂以及负极与集流器界面的脱粘。本发明提供的硅含量呈梭形梯度分布的负极材料能够有效地缓解硅负极在充放电过程中体积膨胀所导致的失效问题，提高硅/石墨电极的循环稳定性，而且适用于商业化的锂离子电池，进而提高锂离子电池的循环稳定性和能量密度。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，更具体地，涉及硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

在所有储能体系中，锂离子电池因具有能量密度高、工作电压适宜、循环寿命长、环境友好等优点，被认为是最有前景的储能体系。锂离子电池不仅在数码产品、智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备领域占据主导地位，同时在动力汽车和电化学储能电池领域也表现出令人瞩目的发展前景。然而，为了满足大规模储能领域以及高功率领域系统例如插电式电动汽车(PEV)或混合动力汽车(HEV)的需求，对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。开发出具有高能量密度、高功率密度、高稳定性以及较高安全性能的电极材料是锂离子电池能否得到商业应用的重要参数指标。

作为锂离子电池的重要组成部分，负极材料也是决定锂离子二次电池的能量密度和循环寿命的重要因素之一。目前，常见的锂离子电池主要以石墨作为负极，但其较低的理论比容量(372mA h g-1)，严重地限制了锂离子电池在高能量密度、高功率密度领域的发展。因此，开发出具有较高能量、高功率、高稳定性的新型锂离子电池负极材料成为科研工作者研究的热点。作为一代新型锂离子电池负极材料的替代者，硅基(Si)负极由于具有较高的理论比容量(4200mA h g^-1)，被认为是下一代锂离子电池的理想负极。然而，硅负极在锂化/去锂化过程中涉及巨大的体积变化，导致其循环稳定性较差，制约了硅基负极的实际应用。

大量报道关于碳材料与硅材料结合的实例，其中大部分研究工作着重于设计硅材料的组成和结构，如利用碳材料包覆硅纳米颗粒，其电极材料的电化学性能得到了很大的改善，但这些电极材料在电化学性能测试的过程中会出现体积膨胀，致使电极的机械稳定性、电极内部活性颗粒的电接触以及电极表面SEI膜的稳定性受到影响。同时，这些复合材料的制备工艺往往较为复杂，制备条件苛刻，不利于工业化大规模生产，限制了实际应用。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了硅含量呈梭形梯度分布的负极材料及其制备方法和应用，其中该负极材料中硅/石墨涂层的硅含量从上至下先增大后减小，呈梭形梯度分布，从而能够有效地缓冲硅负极在充放电过程中的体积膨胀，进而提高锂离子电池的循环稳定性和能量密度，使其适用于商业化的锂离子电池负极材料。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种硅含量呈梭形梯度分布的负极材料，该负极材料具有预设数量的硅/石墨涂层，并且所述预设数量的硅/石墨涂层中硅含量从上至下先增大后减少，呈梭形梯度分布。

作为进一步优选地，所述硅/石墨涂层的层数为3层～7层。

作为进一步优选地，每层所述硅/石墨涂层的厚度为20μm～30μm。

作为进一步优选地，相邻两层所述硅/石墨涂层中硅含量的差值为5％～35％。

作为进一步优选地，所述硅/石墨涂层中最低硅含量为5％，其最高硅含量为40％。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述硅含量呈梭形梯度分布的负极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1制备硅含量不同的硅/石墨浆料；

S2将硅含量最低的硅/石墨浆料涂覆在基底材料上，然后烘干获得具有第一硅/石墨涂层的第一电极；