[发明专利]一种硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基负极材料，所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层；在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为500‑750℃。本申请利用对硅碳负极材料DSC分析中，放热峰对应温度的控制，来间接控制碳层的力学性能，提高硅碳负极材料碳包覆层的力学性能，抑制嵌锂时膨胀，防止碳层破裂，进而提高电池循环稳定性。同时，对于碳包覆层的结构，建立简单、准确的表征方法，实现生产中对于碳层质量的实时监控。

技术领域

本发明涉及一种负极材料及其制备方法，尤其是一种电化学性能好的硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人类对电动汽车、便携式设备高性能和轻量化的要求日益提高，对于锂离子二次电池的能量密度提出了更高的要求。石墨是成熟的、传统的、应用最为普遍的商业化锂离子二次电池负极材料，在一代代锂电行业从业者的努力下，比容量已经接近了理论容量372mAh/g。下一代锂电池比容量的提升，迫切需要新一代高比容量负极材料的出现。因此，这使作为碳同主族的硅，作为新的负极材料受到了空前的关注，理论上一个Si原子最多可以结合4.4个Li，可以表现出高达4200mAh/g的比容量。也正因为如此高的锂容纳量，导致硅在嵌锂过程中有约300％的体积膨胀。充放电时负极材料有如此剧烈的体积效应，会使一部分活性物质脱离电接触，从而严重影响电池的寿命。

为了改善这个问题，研究者提出了多种解决思路，如通过纳米化、碳包覆、中空结构等，最大程度上抑制了硅的膨胀。由于硅纳米化的路线，存在着电解液过度反应、分散困难、成本升高等现实问题；有些研究者还是希望在微米尺度，实现硅负极材料在锂二次电池中的应用。一氧化硅(SiO_X)是一种有非常有潜力的硅负极的改良产品，对于该材料的结构，研究者做了大量的研究，目前比较主流的研究结论，是结合了随机键合模型(RB)和随机混合模型(RM)两种的“界面团簇混合型”模型，在SiO_X的微观结构中，存在尺寸小于2nm的Si团簇和SiO₂团簇，在各种团簇的界面上为SiO_X的过渡区域。该模型认为，在SiO_X是由纳米级Si团簇、纳米SiO₂团簇及围绕两者的SiO_X过渡区域组成的。因此，若以SiO_X作为负极材料，纳米级的Si团簇在被基体紧密包围，能够抑制嵌锂过程中的膨胀。然而这种设计还是不够的，一方面，SiOx极差的导电性，使其在负极材料中无法直接使用，需要包覆一层碳膜，降低接触电阻；另一方面，SiOx基体与电解液的直接接触，脱嵌锂时的不断膨胀和收缩，会引起材料粉化，同时会不断消耗电解液，需要碳包覆层缓冲膨胀、隔绝电解液。从而使硅基负极材料的商业化成为可能。碳层的结构和性质，对于硅碳负极材料的电化学性能，如容量、首次库伦效率、循环维持率，均有重要影响。

现有技术中，对于材料本身的关注点主要集中在SiOx基体。而碳层能够缓冲和容纳脱嵌锂时基体体积巨大变化，隔绝电解液；碳层的结构，乃至碳层结构所影响的碳层力学性能，对于硅碳负极材料的循环性能影响巨大。而现有技术中，只对碳层的导电性提出了改善措施，对于碳层的结构和力学性能缺乏控制和要求。碳层力学性能不佳，会导致所构成的二次电池循环稳定性欠佳，碳层破裂，容量衰减迅速、后期循环性能容易跳水。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种电化学性能好的硅基负极材料。本申请利用对硅碳负极材料DSC分析中，放热峰对应温度的控制，来间接控制碳层的力学性能，提高硅碳负极材料碳包覆层的力学性能，抑制嵌锂时膨胀，防止碳层破裂，进而提高电池循环稳定性。同时，对于碳包覆层的结构，建立简单、准确的表征方法，实现生产中对于碳层质量的实时监控。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种硅基负极材料，所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层；在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为500-750℃。