[发明专利]一种负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负极材料及其制备方法和应用。一种负极材料，包括：硅基内核、包裹于硅基内核表面的碳基层，以及包裹于碳基层表面的金属磷化物；碳基层上具有孔结构。本发明的负极材料，通过结构和成分的设计，能够大幅提升硅基负极的循环稳定性。本发明还提供了上述负极材料的制备方法和应用。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池(Lithium-ion battery，LIB)，是一种二次电池，具有容量大、重量轻、寿命长等优点。可用于锂离子电池负极的材料包括锂金属(Li)、单质硅(Si)、石墨、硅碳、硒化锡(SnSe_x)、四氧化三锰(Mn₃O₄)、二硫化铼(ReS₂)等。目前，石墨负极是商业上最成熟的负极，具有优良的导电性和良好的循环稳定性，但其克比容量较低(372mAh·g^-1)，是提升锂离子电池能量密度的障碍。此外，锂金属负极虽然具有理论容量大、密度低、氧化还原电位低等优点，但是其面临的锂枝晶问题较其他种类负极更为严重，而锂枝晶可能会造成严重的安全问题。

硅具有理论容量高(4200mAh·g^-1)、资源丰富、价格低廉等优点，有望取代现在的石墨负极进行大规模商业化。然而，在进行商业化之前，必须克服硅材料在充放电过程中体积变化大的问题(～300％)。

为了解决关于硅负极的问题，研究者进行了如下几个方向的探索：其一，将硅基材料进行纳米化，如此可缓解体积膨胀对电池性能的影响；其二，将硅与其他材料进行复合，例如硅碳材料。

但是上述改性思路取得的效果有限，所得硅基负极的循环稳定性仍有待提升。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种负极材料，通过结构和成分的设计，能够大幅提升硅基负极的循环稳定性。

本发明还提出一种上述负极材料的制备方法。

本发明还提出上述负极材料的应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种负极材料，包括：硅基内核、包裹所述硅基内核的碳基层，以及包裹于所述碳基层表面的金属磷化物；

所述碳基层上具有孔结构。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的负极材料具有双层核壳结构，最外层的壳为金属磷化物，通过转化反应，在放电过程中可以形成Li₃P，提升对Li+的存储能力，即进一步提升负极材料的放电容量；同时金属磷化物还具有优异的导电性能，因此可提升负极材料的倍率性能；

中间层为碳基层，可以提升负极材料的电子电导率，提升其倍率性能；

内核为硅基颗粒，可发挥其特有的高容量密度的优势；

因此，本发明通过结构设计和成分间的协同作用，可获得具有高容量、高电子电导率的负极材料。

(2)本发明在最外层金属磷化物和硅基内核中间设置了具有孔结构的碳基层，其中孔结构一方面可以提升负极材料的比表面积，提升容纳Li⁺的能力，为其提供传输通道，提升Li⁺的扩散速度，进一步提升上述负极材料的倍率性能；另一方面，具有孔结构的碳基层，具有一定的形变能力，可以容纳硅基内核在充放电过程中的体积变化；此外，碳基层中的碳和硅基层中的硅可以形成Si-C强化学键，促进电子的转移，增强硅基内核与碳基层之间的相互作用力，避免负极材料在循环过程中破损；