[发明专利]一种硅基负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硅基负极材料及其制备方法和应用。所述硅基负极材料包括内核、包覆于内核表面的第一碳包覆层以及包覆于第一碳包覆层表面的第二碳包覆层；所述内核由内至外依次包括实心部分以及多孔部，所述内核包括硅晶粒和硅氧材料。本发明通过提供一种硅基负极材料，其内核中的多孔结构为充放电过程中硅氧化物的体积效应提供空间，同时第一碳包覆层和第二碳包覆层一方面提高了硅基负极材料的导电性，另一方面在形成多孔结构的时候又不破坏碳层，既提高了导电性，又降低了刻蚀后的比表面积，减少了后续电池中副反应的产生，使负极材料具有较高的容量、稳定的循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

硅材料因为具有比容量高、安全性和低温性好、原料来源丰富等优点，被认为是新型高性能锂离子电池负极材料。但是，硅材料在充放电过程中因锂合金化产生了巨大的体积膨胀，造成硅活性颗粒的粉化失效，同时硅粒子开裂粉化使活性粒子间与集流体间电接触不良形成“孤岛效应”，断裂面反复形成新的固态电解质界面(SEI)，诱发不可逆容量的持续损失的问题，制约了硅基材料的产业化应用。此外，硅是半导体，存在较低的电导率和离子扩散系数，造成锂离子扩散动力学性能下降。

SiO_x本身具有1965～2680mAh/g的容量，一般认为是纳米硅晶体分布在非晶态二氧化硅中。将其作为负极材料应用，在初次嵌锂时，形成的活性物质硅均匀分散在惰性物质Li₂O和Li₄SiO₄中，缓解了锂硅合金化的体积变化，可将体积膨胀降低至纯硅的一半，循环性能得以提升，因此具有很好的发展前景。

业内为了进一步降低SiO_x材料的体积膨胀问题，对硅基负极的研究主要从硅本体的纳米粒子结构设计、体相的多孔三维结构设计、界面和表面结构设计，SiO_x/C核壳结构和稳定载体设计、碳包覆/复合等方面出发，但是目前还没有找到一种好的方法能够较为彻底的解决现有硅基负极材料首次效率低、体积膨胀大、循环性能差的问题。

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和应用。本发明通过提供一种硅基负极材料，其内核中的多孔结构为充放电过程中硅氧化物的体积效应提供空间，同时第一碳包覆层和第二碳包覆层一方面提高了硅基负极材料的导电性，另一方面在形成多孔结构的时候又不破坏碳层，既提高了导电性，又降低了刻蚀后的比表面积，减少了后续电池中副反应的产生，使负极材料具有较高的容量、稳定的循环性能。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种硅基负极材料，所述硅基负极材料包括内核、包覆于内核表面的第一碳包覆层以及包覆于第一碳包覆层表面的第二碳包覆层；

所述内核由内至外依次包括实心部以及多孔部，所述内核包括硅晶粒和硅氧材料。

本发明通过提供一种硅基负极材料，其内核中的多孔结构为充放电过程中硅氧化物的体积效应提供空间，同时第一碳包覆层和第二碳包覆层一方面提高了硅基负极材料的导电性，另一方面在形成多孔结构的时候又不破坏碳层，既提高了导电性，又降低了刻蚀后的比表面积，减少了后续电池中副反应的产生，使负极材料具有较高的容量、稳定的循环性能。

本发明中，如果内核中不包括多孔部，则很难实现缓冲硅材料的体积膨胀效应，降低材料整体的体积变化。