[发明专利]一种硅基复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种硅基复合负极材料及其制备方法，所述硅基复合负极材料包括硅基材料、一维碳纳米材料和包覆在表面的席夫碱，其制备方法是：将硅基材料和一维碳纳米材料在四氢呋喃中超声分散组装，再加入合成席夫碱的材料，水浴加热并搅拌后过滤干燥，得到硅基复合负极材料。本发明制得的硅基复合负极材料中，一维碳纳米材料可以增强硅基负极的电导率，而表面包覆层席夫碱可以抑制硅基负极的体积膨胀，且其碳氮双键提高了离子电导率，抑制了锂枝晶的生长，降低了首次充放电消耗的锂离子；因此，本发明提供的硅基复合负极材料能够降低电池的不可逆容量，提高电池首次库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的枯竭以及对能源的需求不断加大，开发新型能源的问题迫在眉睫。锂离子电池因其优异的储能性质及供电特性受到广泛关注。目前，锂离子电池在手机、笔记本电脑以及电动工具等对能量密度要求不高的领域的应用已趋近于成熟，但在汽车动力电池等高能量密度要求的领域还有极大的提高空间。石墨作为锂离子电池中常用的负极材料，其理论克容量仅为372mAh/g，而市场上的高端石墨材料已经可达到360-365mAh/g，因此相应锂离子电池能量密度的提升空间已相当有限。

硅基材料具有高的理论克容量和低的脱锂电位，并且其环境友好、储量丰富、成本较低，一直受到广泛的关注。然而，硅基材料在首次充放电过程中，会在负极表面形成SEI膜，消耗活性锂；并且硅基材料在充放电过程中体积膨胀巨大，会使SEI膜不断破裂生长，这将导致电解液中的活性锂损失，从而大大降低电池性能；另外，硅的导电性较差，需要用较大比例的导电炭黑才能使电极的电子导电性满足电池的需要。因此，大量工作者对硅基材料进行处理，试图解决硅基材料的问题。

CN110137485B公开了一种人工SEI膜制备方法，其先利用溶剂蒸发或喷雾干燥在硅材料表面包覆一层聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素盐或海藻酸盐的聚合物膜，再使用同样方法在聚合物膜表面上包覆PAN微孔膜得到含有表面修饰膜的硅负极材料。表面修饰膜的存在可以改善循环过程中硅材料的体积膨胀，但PAN与锂电极相容性差，钝化现象比较严重，降低硅负极材料的循环稳定性。

CN108963229B公开了一种高性能硅负极活性材料的制备方法，制备步骤包括导电涂层溶液的配制，纳米硅分散液的配制，同轴静电纺丝法制备硅活性材料，最后干燥得到硅负极活性材料。其制备的硅负极活性材料具有核壳结构，可以参与电极反应，发挥硅负极材料高容量特性，壳层可以改善硅材料导电性差的问题并且限制纳米硅的体积膨胀，但制备方法复杂，成本高昂，不适用于大规模生产。

以上的报道并不能解决硅基负极材料在充放电过程中体积膨胀导致SEI膜破裂和极片电子导电性差的问题，进而影响了电池的可逆容量、首次库伦效率和循环稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种硅基复合负极材料及其制备方法。本发明将硅基材料和一维碳纳米材料超声分散，同时在其表面合成席夫碱，构建人工SEI膜，保障人工SEI膜在膨胀过程中不破裂；有利于提高离子电导率，抑制Li枝晶的生长，进一步提高电池的首次可逆容量、首次库伦效率和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种硅基复合负极材料，该硅基复合负极材料包括硅基材料、一维碳纳米材料以及包裹二者的席夫碱。

本发明采用具有良好柔韧性的席夫碱有机物包覆在硅基材料表面，起到一层人工SEI膜的作用，其在EC、DMC等有机溶剂中不溶解，能够缓解硅基材料在循环过程中的体积膨胀，提高人工SEI膜的稳定性。

本发明的硅基复合负极材料能够降低电池的不可逆容量，提高电池首次库伦效率和循环稳定性。

进一步地，所述硅基材料包括纯硅材料、硅碳材料和硅氧材料；优选地，所述硅基材料为纯硅材料。