[发明专利]硅氧颗粒及其制备方法、负极材料和电池

说明书

本申请提供一种具有核壳结构的硅氧颗粒，硅氧颗粒为硅氧一次颗粒或硅氧二次颗粒，硅氧颗粒包括：内核颗粒，包括硅氧化合物基质及单质纳米硅颗粒，内核颗粒中硅氧含量摩尔比如下：氧元素/硅元素＝X，0.5≤X≤1.5；碳化硅壳层，包覆内核颗粒，构成具有核壳结构的硅氧颗粒；碳层，包覆单个或多个具有核壳结构的硅氧颗粒；其中，硅氧颗粒料堆的休止角≤40°，优选为≤30°，更优选为≤20°；硅氧颗粒料堆的固液界面接触角≥45°，优选为≥90°，更优选为≥100°。本申请所提供的硅氧颗粒用于电池，具有低膨胀率、较长的循环寿命、高容量、高库伦效率等特点。

技术领域

本申请涉及电池领域，具体地，涉及一种具核壳结构的硅氧颗粒及其制备方法、负极材料和电池。

背景技术

由于近年来各种便携式电子设备、电动汽车以及储能系统的快速发展和广泛应用，对于能量密度高、循环寿命长的锂离子电池的需求日益迫切。目前商业化的锂离子电池的负极材料主要为石墨，但由于理论容量低，限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。由于硅负极材料具有其它负极材料无法匹敌的高容量优势，近些年来成为了研发热点，并逐渐从实验室研发走向商业应用。其中，单质硅负极材料在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，体积变化率约为300％，会造成电极材料粉化以及电极材料与集流体分离。另外，由于硅负极材料在电池充放电过程中不断地膨胀收缩而持续破裂，产成的新鲜界面暴露于电解液中会形成新的SEI膜，从而持续消耗电解液，降低了电极材料的循环性能。硅氧化合物理论容量约为1700mAh/g，虽然其容量低于单质硅负极材料，但其膨胀率和循环稳定性均有明显优势，相比单质硅来说更易实现工业化应用。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不代表本领域的现有技术。

发明内容

本申请提供一种具有核壳结构的硅氧颗粒，该种硅氧颗粒用于电池当中，具有膨胀率低、循环寿命长、容量高、库伦效率高等优势。

根据本申请一个方面，所述硅氧颗粒为硅氧一次颗粒或硅氧二次颗粒，所述具有核壳结构的硅氧颗粒包括：

内核颗粒，包括硅氧化合物基质及单质纳米硅颗粒，其中所述单质硅纳米颗粒的中值粒径D50在0.1～25nm之间，优选为0.3～15nm，所述内核颗粒中硅氧含量摩尔比如下：氧元素/硅元素＝X，0.5≤X≤1.5，优选地为0.8≤x≤1.2，更优选地为0.9≤x≤1.1；

碳化硅壳层，包覆所述内核颗粒，构成具有核壳结构的硅氧颗粒；

碳层，包覆单个或多个所述具有核壳结构的硅氧颗粒；

其中，所述硅氧颗粒料堆的休止角≤40°，优选为≤30°，更优选为≤20°；

所述硅氧颗粒料堆与水的固液界面接触角≥45°，优选为≥90°，更优选为≥100°。

进一步地，休止角指在重力场中，粒子在粉体堆积层(即，上述料堆)的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角。

进一步地，所述接触角是指所述硅氧颗粒在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角。接触角越小，表示所述硅氧颗粒润湿性越好，接触角越大，表示所述硅氧颗粒润湿性越差，当接触角为180°，表示所述硅氧颗粒完全未润湿。

具体地，随着粉体粒径逐渐减小，颗粒之间的分子引力、静电引力逐渐增大，粉体越容易吸附、自团聚，粉体颗粒的流动性变差，导致休止角变大。同时，较小的粒径分布跨度，造成颗粒相互接触面积减小，其流动性改善。较宽粒径跨度的颗粒表面有大量的平面接触点，以及不规则颗粒间的剪切力，导致粉体流动性变差，休止角增大。

所述的硅氧颗粒粒径适中，同时表面具有一层均匀的碳化硅层及碳层，有效降低了颗粒之间的分子引力和静电引力。同时，硅氧颗粒具有较小的粒径分布跨度，颗粒之间相互接触面积较小。综合以上因子，硅氧颗粒的流动性较好，休止角较小。