[发明专利]硅基负极材料及其制备方法、二次电池

说明书

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法，以及一种二次电池。其中，硅基负极材料为核壳结构，包括硅基内核和原位包覆在所述硅基内核外表面的弹性壳层；所述弹性壳层包括由丙烯酸单体、丙烯酸锂和丙烯酸酯类单体交联形成的网状聚合物。本发明硅基负极材料中弹性壳层与内核负极材料亲和性好，结合稳定，可随着硅基材料在脱嵌锂过程中膨胀而膨胀，收缩而收缩，弹性壳层不易破裂，能有效隔离硅基材料与电解液接触反应，有利于提高电芯的循环寿命和安全性。

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法，以及一种二次电池。

背景技术

锂离子电池由于其性能优势已成为电动汽车的主要动力电源，作为一种能量存储装置，其主要由正极，负极，隔膜，电解液等组成。电动汽车续航里程的提升倒逼电芯能量密度的提升，而正负极材料对于电芯的能量密度和其他电性能起着至关重要的作用。目前商业化的负极石墨材料其理论比容量为372mAh/g，阻碍了电芯能量密度的提升。因而硅负极材料走入人们视野，其理论比容量高达4200mAh/g，硅负极材料被认为是石墨负极材料的替代性产品具有重要应用前景。

然而，硅基负极材料在嵌脱锂离子过程中反复发生体积膨胀和收缩，其体积膨胀高达100％～300％，导致硅颗粒破裂，不但造成材料颗粒破碎和极片粉化，极片导致电性能急剧下降，循环性能差；而且SEI膜极易破碎，造成新的界面露出，进而导致负极材料不断与电解液反应，电解液不断的消耗，新的SEI膜反复生长，从而导致电池循环寿命衰减快，安全性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基负极材料及其制备方法，以及一种二次电池，旨在一定程度上解决现有硅基负极材料在脱嵌锂过程中体积膨胀大，循环稳定性差的问题。

为实现上述申请目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种硅基负极材料，硅基负极材料为核壳结构，包括硅基内核和原位包覆在硅基内核外表面的弹性壳层；其中，弹性壳层包括由丙烯酸单体、丙烯酸锂和丙烯酸酯类单体交联形成的网状聚合物。

本发明第一方面提供的硅基负极材料核壳结构，其中，硅基内核具有高的比容量，有利于制备高能量密度的电芯；弹性壳层包括由丙烯酸单体、丙烯酸锂和丙烯酸酯类单体交联形成丙烯酸锂、丙烯酸和丙烯酸酯的网状聚合物，该弹性壳层具有高弹性模量，原位包覆在硅基内核外表面形成人造SEI膜。该高弹性模量的人造SEI膜与硅基内核材料亲和性好，可以有效抑制硅基内核在充放电过程中的体积膨胀和收缩，降低硅基内核材料界面暴露的风险，隔离硅基内核材料与电解液直接接触，避免硅基内核材料与电解液反应，从而减少电解液的消耗和SEI膜的反复生长，提高硅基负极材料制备的电芯的循环寿命。同时，弹性壳层可以抑制硅基负极材料在极片中粉化、破碎，提高负极片的稳定性和使用寿命，从而提高电芯的循环寿命和安全性。

进一步地，弹性壳层的厚度为10～20nm；该厚度的弹性壳层对硅基内核有最佳的包覆效果。

进一步地，硅基内核的粒径为8～15μm；硅基内核材料有相对较小且分布均一的粒径，不但有利于硅基负极材料制备形成膜层致密、厚度均匀、表面平整的负极膜层，而且确保了硅基内核材料有较大的有效比表面积。

进一步地，硅基负极材料中，弹性壳层的质量百分含量为0.5～2％，既确保了对硅基内核有较好的包覆效果，可有效抑制硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，避免硅基材料与电解液接触反应对循环性能和安全性的影响，又防止弹性壳层过厚导致材料内阻增加，降低材料的电化学性能。

进一步地，硅基内核中包括氧化硅、碳化硅、硅中的至少一种硅基材料；这些硅基材料容量密度大，有利于制备高能量密度的极片以及电芯。

进一步地，丙烯酸酯类单体包括甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、聚乙二醇丙烯酸酯中的至少一种；这些丙烯酸酯类单体通过与丙烯酸单体、丙烯酸锂单体交联聚合，可形成高弹性模量的网状聚合物，在硅基内核表面形成弹性壳层。