[发明专利]一种双层碳包覆的氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种双层碳包覆的氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用。该氧化亚硅负极材料由内到外依次包括氧化亚硅材料、第一碳包覆层和第二碳包覆层；所述第一碳包覆层由液相包覆或固相熔融包覆形成，第二碳包覆层由气相包覆形成，或者所述第一碳包覆层和第二碳包覆层分别由不同类型的气相碳源气相包覆形成；所述气相碳源为饱和烃或不饱和烃。本发明采用具有不同结构的两层碳材料包覆氧化亚硅，通过两层碳包覆层之间的相互配合和协同作用，能有效能提高电池的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种双层碳包覆的氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为锂离子电池四大主材之一，负极材料的筛选与改进对整体电芯能量密度、功率密度及快充性能的发挥至关重要，目前商业化的负极材料仍然以石墨为主，但其低的理论容量(372mAh/g)已经无法满足日益增长的市场需求，人们急需寻找其他的高容量长循环的负极材料作为替代品，在这种情况下，硅基材料因为其高理论容量(4200mAh/g)、储量丰富、嵌锂电位低(＜0.5V)等优点而受到研究者的广泛关注，成为最有希望替代石墨材料的下一代负极材料；

纳米硅基材料因为其表面能较高，在制备及使用过程中极易发生团聚，且本身脱嵌锂过程中体积膨胀巨大(＞300％)，存在一定的技术瓶颈，且价格较高；因此，产业界更偏向于氧化亚硅基负极材料，因为其在特殊的界面团簇结构(包含纳米硅Si团簇、SiO₂团簇以及介于两者之间的氧化亚硅界面)，在首次嵌锂过程中可以形成Li₂SiO₃、Li₄SiO₄及Li₂Si₂O₅等硅锂酸盐，在后续的循环过程中充当惰性缓冲组分，缓解材料的体积膨胀，进而提升循环性能；虽然相对于纳米硅材料，氧化亚硅基材料优势明显，且在产业化的道路上进展更快，但是其自身的缺点仍然存在：1)导电性差；2)膨胀依然较大，长期循环过程中材料的粉化、失去电接触的风险仍然严重；3)首效低，首次嵌锂时，需要消耗30％以上的锂用于SEI及惰性组分的形成。针对这些问题，产业界和学术界已经进行了大量的研究，且取得了一定的突破，目前最行之有效的方法是对硅氧材料进行包覆和预锂来提升其综合性能。

包覆是提升氧化亚硅基材料最为关键的环节，碳包覆层可以提升氧化亚硅材料的导电性，可以缓冲循环过程中体积的膨胀，并且能够阻止硅基材料和电解液的直接接触，避免副反应的发生；氧化亚硅的包覆方式主要有固相包覆、液相包覆和气相CVD包覆，包覆方式的选择和包覆工艺的优化决定了硅基材料最终的性能体现。现有的技术方案中，硅氧材料的包覆方式众多，方法各异，但是对硅氧材料包覆的碳源缺乏系统的研究，对各种不同碳源的作用机理以及同种碳源在不同温度不同工艺等条件下的沉积效果没有深入的探究，因而没有发挥出各种碳源最佳的属性，多层的包覆探索又大多数集中在碳纳米管、导电聚合物、金属氧化物等方向的摸索(例如专利CN111342032A、CN111048769A、CN111082006A)，对常规的碳源之间的协同效应缺乏理论支撑，并没有将常规碳源的性能发挥到极致。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双层碳包覆的氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用。本发明采用具有不同结构的两层碳材料包覆氧化亚硅，通过两层碳包覆层之间的相互配合和协同作用，能提高电池的循环性能。

本发明的具体技术方案为：

一种双层碳包覆的氧化亚硅负极材料，由内到外依次包括氧化亚硅材料、第一碳包覆层和第二碳包覆层；所述第一碳包覆层由液相包覆或固相熔融包覆形成，第二碳包覆层由气相包覆形成，或者所述第一碳包覆层和第二碳包覆层分别由不同类型的气相碳源气相包覆形成；所述气相碳源为饱和烃或不饱和烃。

本发明采用双层碳包覆，两个碳包覆层之间能发挥不同的作用，并相互配合起到协同效果，具体机制如下：