[发明专利]硅基复合负极材料及其制备方法、负极及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种硅基复合负极材料，包括二次球颗粒和导电材料；所述二次球颗粒由包括硅与水溶性高分子聚合物的原料制备得到；所述导电材料包覆于所述二次球颗粒外部或分散于所述二次球颗粒内部。该硅基复合负极材料具有高比容量和首次库伦效率，较好的循环性能和倍率性能。本发明还公开了该硅基复合负极材料的制备方法以及由其制备的负极及负极的制备方法。

技术领域

本发明涉及本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及硅基复合负极材料及其制备方法、负极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前使用最广泛的能量存储设备。可以说，锂离子电池的出现极大的改善了我们的生活质量，人们对锂离子电池的性能要求越来越高，对锂离子电池的正极材料和负极材料均开展了大量的持续研究。

在现有的负极材料中，硅由于理论容量(约3579mAh/g)比商用石墨高十倍，具有较低的工作电压(相对于Li/Li⁺约为0.3V)，且储量丰富，已被证明是下一代高能量密度电池最具前景的负极材料。但是硅在充放电过程中会伴随着巨大的体积膨胀(约300％)，使得SEI膜损伤增厚、副反应增多，电极材料容易粉化碎裂，粘结性变差最终从集流体上脱落，导致电极循环性能变差。同时硅材料还存在电子电导率低的问题，极大限制了硅负极的商业化应用。

现有硅基负极材料的制备方法主要有以下几种：

(1)在目前商业应用中使用较为普遍的技术，使用少量纳米硅与碳复合，再加入额外粘结剂、导电剂等研磨混合成浆料制备负极极片。这一技术存在制备过程较为繁琐，活性物质含量较低，容量低，并且硅碳复合材料分散性差，纳米硅比表面积大，副反应多，碳材料缓冲硅体积膨胀能力有限，与集流体粘结不均匀等问题，造成容量提升不明显，电池性能衰减较快。

(2)如专利CN107230781A-一种三维球状硅碳复合负极材料及其制备方法，公开了由石墨、硅和非晶态碳组成的硅基复合材料，其中石墨和硅被包裹在非晶态碳层里面。制备方法是先将纳米硅和碳源分散于有机溶剂中，喷雾干燥得到Si@C前驱体，碳化后获得Si配材料，表面碳层能有效缓解硅的体积膨胀效应，再将Si@C材料、石墨和碳源分散于有机溶剂中，喷雾干燥得到硅碳复合负极材料前驱体，碳化得到三维球状硅碳复合负极材料。双层非晶态碳层能有效缓解硅在充放电过程中的体积膨胀效应，外层非晶态碳层使得材料具有低的比表面积，避免了大的不可逆容量损失，所得材料具有较高的比容量和首次效率以及优异的循环稳定性。然而，采用这种方法不仅工艺步骤复杂，活性物质占比低，容量发挥有限，且由于煅烧作用，使得体系中的聚合物结构被破坏，制备得到的三微球状结构稳定性差，结构强度和韧性差，容易破坏，进而影响其使用效果。

(3)如专利CN 111916745 A-硅负极材料及其制备方法，以及电化学电池，公开了一种硅负极材料，硅负极材料为二次复合颗粒，二次复合颗粒包括硅颗粒、导电剂以及热固性高分子聚合物，热固性高分子聚合物至少设置在所述二次复合颗粒的外层，该专利技术利用热固性高分子聚合物加工交联成型后不能再次加工，形状不再发生改变，且具有较好的强度和韧性的性能，使其能够在电化学电池充放电过程中保持固有的形状和结构，起到支撑二次复合颗粒的作用。这种方式虽然能够形成相对稳定的二次复合颗粒，但是由于热固性树脂的形状结构的固有特性，不具备形变性能，使得其所形成的颗粒对硅体积膨胀的缓冲性能有限，所得产品的电化学性能较差。

综上，现有技术均未能采用简单的方法有效的解决硅基负极材料在充放电过程中的体积膨胀带来的电极循环性能差的问题；以及硅材料电子电导率低的问题。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硅基负极材料及其制备方法，该制备方法简单高效且易于产业化，可通过一步获得具有高比容量和首次库伦效率，较好的循环性能和倍率性能的锂离子电池负极材料。

本发明的第二目的在于提供上述硅基负极材料制备的负极及其制备方法，操作简单，将其应用于电池中，具有高比容量和首次库伦效率，较好的循环性能和倍率性能。