[发明专利]一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，公开了一种锂离子电池高首效硅基负极材料及其制备方法。通过气相沉积原位合成均相结构的高首效硅基复合材料，然后再对含锂或含镁的硅基材料进行碳包覆，本发明通过将SiO₂粉末、Si单质粉末、Li源或Mg源原料球磨后进行高温沉积，原位形成了均相的高首效硅基负极材料，弥补了现有技术不均匀的缺点，且不需要原料以蒸汽的方式结合，降低了制备的难度，提升了反应的安全性，更容易规模化生产；在碳包覆之前，对材料用脂肪酸进行表面改性，通过脂肪酸分子中的羧基与硅基材料表面的羟基发生化学键合，减小颗粒间的团聚、增加粉末的流动性来达到更佳的包覆效果，提升成品材料的各项电性能指标。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

在市场需求日益提升的形势下，石墨负极材料的研究与开发已接近其理论值，很难再有突破，而硅基材料因为其理论容量高、资源丰富、脱嵌锂电位低等优点而得到学术界和产业界的广泛研究，作为硅基材料的一种，氧化硅材料相对纳米硅材料而言，循环过程体积膨胀相对较小、循环更加稳定而受到更多的关注，氧化亚硅基材料的主要问题包括材料本身电导率低、首次效率低；目前对氧化亚硅的改性研究也都是围绕这几个方面展开，主要的手段包括碳包覆、元素掺杂及预锂化等，每种研究方向都取得了一定的成果。

授权号CN 108269979 A，公开日2018年7月10日的中国专利公开了一种氧化亚硅/硅/偏硅酸锂复合负极材料及其制备方法，取氧化亚硅和锂元素的无机化合物混合球磨，在保护气体的环境下烧结，自然冷却后得到氧化亚硅/硅/偏硅酸锂复合材料，制得的材料可逆容量高，循环性能优良，首次库伦效率高；授权号CN 102214824 A，公开日2011年10月12日的中国专利公开了非水电解质二次电池用负极材料及其制造方法以及锂离子二次电池，先对氧化硅进行碳包覆，然后与氢化锂或氢化锂铝混合、煅烧，得到的预锂硅基材料首次效率高、循环性能好；授权号CN 108767241 A，公开日2018年11月6日的中国专利公开了镁掺杂硅氧化物、制备方法及在二次锂离子电池中的应用，通过将SiO_x气体与金属Mg蒸汽接触，共沉积，得到Mg掺杂硅氧化物，作为锂离子电池负极材料，容量高、首次库伦效率高。

现有的对硅基材料的预嵌锂方案中，都是对SiO本身进行预嵌锂或者对包覆后的氧化硅材料进行预嵌锂，这样Li源需要从SiO表面甚至是渗过碳层再与硅基材料发生反应，难以形成均相的结果，并且无法避免副反应的发生，影响最终材料的性能，而像专利CN108767241 A中两种蒸汽的接触又对设备的要求很高，反应条件苛刻，存在危险性而难以大规模生产。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电池高首效硅基负极材料及其制备方法，通过气相沉积原位合成均相结构的高首效硅基复合材料，然后再对含锂或含镁的硅基材料进行碳包覆，并且在碳包覆之前，对材料用脂肪酸进行表面改性，通过脂肪酸分子中的羧基与硅基材料表面的羟基发生化学键合，减小颗粒间的团聚、增加粉末的流动性来达到更佳的包覆效果，提升成品材料的各项电性能指标。

本发明的具体技术方案为：一种锂离子电池高首效硅基负极材料，所述负极材料为核壳结构，内核为含金属元素的氧化硅粉末，外壳为无定型碳层；所述的含金属元素的氧化硅粉末由反应物二氧化硅、硅粉及金属元素经球磨后高温沉积形成均相结构；所述的无定型碳层由碳源材料裂解形成。

本发明所述的硅基负极材料其中内核含金属元素的氧化硅粉末通过沉积反应一步合成，Li源直接与二氧化硅和硅粉高温沉积反应过程中生成的SiO嵌合，生成的含有金属元素的氧化硅表面具有均相结构，反应不需要原料以蒸汽的方式结合，降低了制备的难度，提升了反应的安全性，更容易规模化生产；无定型碳层主要起缓冲体积膨胀的作用且具有更好的包覆效果。