[发明专利]一种电池负极活性材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电池负极活性材料及其制备方法，负极活性材料包括多孔硅微球和碳材料，多孔硅微球和碳材料形成核壳结构：多孔硅微球为核，碳材料包覆在多孔硅微球表面形成壳层。其制备方法则包括以下步骤：(1)制备多孔硅微球；(2)制备聚合物包覆的多孔硅微球；(3)将聚合物包覆后的多孔硅微球加热碳化即得电池负极活性材料。本发明的负极活性材料具有优异的综合电化学性能，且制备方法简单、生产成本低。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种电池负极活性材料及其制备方法。

背景技术

目前锂离子电池领域内实际应用较多的负极活性材料是碳材料，在非碳负极活性材料中，硅具有极高的理论比容量，适中的储锂反应电压平台，并且硅在自然界中的分布很广，在地壳中的含量仅次于氧，因此硅基负极活性材料是一类极具发展前景的新型高能材料。然而，硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；普通纯硅的循环稳定性较差。而且硅在锂化过程中的相变和体积膨胀会产生较大的应力，致使电极断裂粉化、电阻增大、循环性能骤降；对此，现有技术一般采用硅碳材料复合使用这一方式来解决上述问题，但现有的硅碳复合材料仍存在以下技术问题：

1、硅材料粒径过大，且难以保持多孔骨架结构，现有技术中硅材料的原始粒径为50μm，粉碎后得到的粉末的粒径也为15μm，且由于原料选择的问题，经过脱铝金属处理后的硅材料很难保持多孔骨架，易粉化，难以彻底解决硅基材料存在的缺陷。

2、工艺方面，首先原材料的预处理过程较复杂，耗费人力物力，不利于节省生产成本和时间，且预处理所得粉末粒径较大，在脱嵌锂过程中体积变化较大，没有从结构上根本解决硅基材料容易粉化的缺点，导致电池循环性能下降；其次现有技术常以葡萄糖为碳源，采用的喷雾干燥工艺，难以保证每一个硅颗粒表面都能包覆葡萄糖分子和实现葡萄糖的均匀包覆，经碳化后，也难以实现碳膜的均匀完整包覆，而且所需碳化温度过高，达到了950℃。

上述问题导致所获得的硅碳负极活性材料对锂离子电池综合电化学性能的提升有限，无法满足市场对高性能锂离子电池的需求。

发明内容

本发明提供了电池负极活性材料及其制备方法，用以解决目前现有硅碳复合负极活性材料对锂离子电池综合电化学性能的提升有限的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电池负极活性材料，包括多孔硅微球和碳材料，所述多孔硅微球和碳材料形成核壳结构；其中，所述多孔硅微球为核，所述碳材料包覆在多孔硅微球表面，形成壳层；所述多孔硅微球的粒径为1～2μm。

上述技术方案的设计思路在于，将铝金属原子脱除保证剩余硅形成多孔硅，再原位包覆碳层，构建核壳结构的碳包覆多孔硅材料，这样的多孔结构为硅材料充放电过程中的体积膨胀提供了缓冲空间，同时包覆的碳层能够防止过渡膨胀带来的多孔硅骨架孔结构的破坏和粉化，这种结构的负极活性材料具有优良的电化学性能。将多孔硅微球的粒径限定在1～2μm，可以解决粒径过大造成的多孔硅结构强度不佳、易粉化的问题，也可避免因多孔硅微球粒径过小，在制备和使用过程中易出现团聚现象导致负极活性材料综合性能下降的情况出现，同时还可增加电极单位面积上活性物质的载量。

作为上述技术方案的进一步优选，所述碳材料在电池负极活性材料中的质量分数为2％～20％。

作为上述技术方案的进一步优选，所述碳材料中掺杂有氮元素。氮掺杂的碳材料层比纯粹碳层有更好的导电性，有利于电极表面电子传输，利于锂离子电池综合电化学性能。

基于同一技术构思，本发明还提供一种上述技术方案所述的电池负极活性材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备多孔硅微球；