[发明专利]一种负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种负极材料及其制备方法和应用。所述负极材料包括含硅基材料的内核和包覆于所述内核表面的缓冲层，所述缓冲层中包括低膨胀材料、导电剂和粘结剂，所述低膨胀材料包括硬碳、软碳、钛酸锂、天然石墨、人造石墨中的任意一种或至少两种的组合。本发明所提供的负极材料，在循环充放电情况下，锂离子将优先在表层低膨胀材料中脱出和嵌入，从而防止含硅基材料体系材料颗粒脱锂和嵌锂的程度过大而导致的过大膨胀和过大体积变化，以及由此带来的长期性能恶化，可在保证能量密度损失较小情况下，大幅改善电芯膨胀，提高电池的长期可靠性，提高了电池的循环性能和存储性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池的技术领域，涉及一种负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动车的发展，对动力电池能量密度(目前正常水平180-230wh/kg)的要求越来越高，作为电动车的核心部件，动力电池的能量密度影响整车设计，包含整车性能及成本控制，高能量密度动力电池可以有效控制整车重量及其他零部件设计，另外动力电池在电动车中成本占比将近50％，提高动力电池能量密度将可以降低机械件等非能量单元的成本，从而有效控制整车成本。

目前提高动力电池能量密度的方法包含如下三种：

(1)正极方面：高Ni体系，通过提高正极材料中的Ni含量来提高正极单位重量的容量发挥，目前电芯级别技术状态和水平为240-280wh/kg；高压体系，通过提高正极材料充电过程的上限电压来提高正极单位重量的容量发挥，目前电芯级别技术状态和水平为230-260wh/kg，但是Ni含量的提高降低了正极析氧的电位，从而带来电芯高产气风险，其将恶化电芯长期可靠性，如循环寿命、存储寿命以及电芯膨胀控制，同时较高的Ni含量降低了正极材料发生热失控的温度阈值，其将恶化电芯相关应用下的安全，如高温、过充、挤压等；高压体系，正极上限使用电压的增加提高了充电末端正极的氧化性，其对电解液及隔膜的氧化将加速，从而恶化产气，对于长期可靠性带来不利影响；(2)负极方面：硅基材料掺杂，通过添加Si/SiO₂硅基材料来提高负极单位重量的容量发挥，目前电芯级别技术状态和水平为240-350wh/kg；然而添加的Si/SiO₂在充放电过程有非常大的收缩膨胀，随着循环的进行，负极在较高的收缩膨胀比下将出现脱膜掉粉现象，同时影响负极表面SEI膜的稳定和完整，极大恶化了电芯的长期使用寿命和容量保持；(3)工艺方面：通过提高阴负极涂布重量，降低基材(铝箔铜箔)和隔膜厚度来提高单位重量的有效容量发挥，目前电芯级别技术状态和水平为230-270wh/kg；同时也存在一些弊端，如阴负极涂布重量的提高将恶化电芯的功率，充电窗口和长期循环寿命，同时对于工艺和设备也带来极大的挑战；基材(铝箔、铜箔)的降低主要影响工艺制造，薄基材在电芯制造过程容易断裂，严重影响电芯制程优率，从而提高电芯生产的成本；隔膜作为隔断正负极直接接触短路的部件，其厚度对于电芯内短路安全的控制至关重要，降低厚度将带来电芯内短路的安全风险。

CN111509208A公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法和装置。该制备方法包括：混合微米级的硅、二氧化硅，压实成块，得到Si/SiO₂混合材料；在真空下，以不同的升温速率分别加热混合材料与金属镁至不同的预定温度，分别得到气相的SiO_x与气相的镁；将气相的SiO_x与气相的镁通过冷却混合沉积；经过粉碎、分级、除磁、碳包覆，得到锂离子电池负极材料。该文献中的Si/SiO₂在充放电过程有非常大的收缩膨胀，随着循环的进行，负极在较高的收缩膨胀比下将出现脱膜掉粉现象，同时影响负极表面SEI膜的稳定和完整，极大恶化了电芯的长期使用寿命和容量保持。

因此如何控制含硅基材料的负极活性物质在负极中的膨胀，防止电极过高膨胀带来的长期性能恶化问题，提高电池的能量密度，是急需解决的技术问题。

发明内容