[发明专利]硅氧锂颗粒及其制备方法、负极材料、极片和电池

说明书

本申请提供一种具有核壳结构的硅氧锂颗粒，包括：内核颗粒，包含硅酸锂系化合物基质和单质硅纳米颗粒，所述内核颗粒中各元素含量摩尔比如下：锂元素/硅元素为X，氧元素/硅元素为Y，0.1≤X＜2，0.5≤Y≤1.5；碳化硅壳层，包覆所述内核颗粒；导电碳层，包覆所述碳化硅壳层。该种硅氧锂颗粒具有良好耐水性、低膨胀率、循环寿命长、库伦效率高等特点。

技术领域

本申请涉及电池领域，具体涉及具有核壳结构的硅氧锂颗粒及其制备方法、负极材料、极片和电池

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。然而，硅氧化合物在锂离子电池中的首次充电时生成硅酸锂和氧化锂等物质，放电时该物质中的锂离子无法脱出，导致电池的首次库伦效率较低(理论效率约为70％)，从而限制了全电池能量密度的提升。

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锂颗粒，该种硅氧锂颗粒具有良好耐水性、低膨胀率、循环寿命长、库伦效率高等特点。

根据本申请一个方面，本申请所提供的硅氧锂颗粒包括：内核颗粒，包含硅酸锂系化合物基质和单质硅纳米颗粒，所述内核颗粒中各元素含量摩尔比如下：锂元素/硅元素为X，氧元素/硅元素为Y，0.1≤X＜2，0.5≤Y≤1.5；碳化硅壳层，包覆所述内核颗粒；导电碳层，包覆所述碳化硅壳层。

根据本申请一些实施例，所述单质硅纳米颗粒中值粒径为0.1～25纳米，优选为0.3～15纳米。

根据本申请一些实施例，所述硅氧锂颗粒中值粒径为0.05～20微米，优选为0.3～15微米。

根据本申请一些实施例，所述硅氧锂颗粒粒径跨度值(SPAN＝(D90-D10)/D50)≤2.0，优选为≤1.5，更为优选为≤1.3。

根据本申请一些实施例，所述碳化硅壳层厚度为1～200纳米，优选为8～100纳米。

根据本申请一些实施例，所述导电碳层厚度为1～2000纳米，优选为3～500纳米，更优选为5～200纳米。

根据本申请一些实施例，所述导电碳层占所述硅氧锂颗粒质量的0.1～15％，优选为0.5～10％，更优选为1～5％。

根据本申请一些实施例，所述硅氧锂颗粒的比表面积为0.1～20m²/g，优选为0.8～10m²/g，更优选为1～7m²/g。

根据本申请一些实施例，所述振实密度≥0.4g/cm³，优选≥0.7g/cm³。

根据本申请另一方面，还提供一种硅氧锂颗粒的制备方法，包括以下步骤：准备硅氧颗粒；对所述硅氧颗粒进行表面处理；形成碳化硅层及导电碳层，对所述硅氧颗粒进行碳包覆、打散处理；进行嵌锂处理，对所述具有碳化硅层和导电碳层的硅氧颗粒进行嵌锂处理。

根据本申请一些实施例，所述对硅氧颗粒进行表面处理，包括：气相处理或液相处理。