[发明专利]一维硅基复合负极材料及包含该负极材料的负极极片、电化学装置和电子装置

说明书

本发明公开了一维硅基复合负极材料及包含该负极材料的负极极片、电化学装置和电子装置，包括呈竖直排列的阵列的一维硅基材料、包覆在一维硅基材料表面的包覆层、填充在一维硅基材料的间隙中的导电网络，相邻的一维硅基材料的间距与一维硅基材料的直径的比值为20%‑80%，包覆层的厚度与一维硅基材料的间距的比值为5%‑35%，导电网络的质量含量为5%‑25%。本发明通过限定一维硅基材料的间距与直径之间的关系、包覆层厚度与一维硅基材料间距之间的关系、导电网络的质量含量、一维硅基材料的尺寸与排列等因素，使得结构间距与包覆层的协同缓冲作用与界面钝化作用达到最优化，提高一维硅基复合负极材料的结构稳定性与动力学性能。

技术领域

本发明涉及与锂离子电池技术相关的新能源材料领域，具体涉及一种一维硅基复合负极材料及包含该负极材料的负极极片、电化学装置和电子装置。

背景技术

硅材料在常温时具有高达3580mAh/g的理论比容量，是极具前景的下一代锂离子电池负极材料。此外，硅材料还具有环境友好、含量丰富、制备工艺成熟等优点。然而，硅材料在嵌锂过程中具有约320％的体积膨胀率，这会导致电极结构的断裂和粉化，进而导致电池容量的快速衰减。同时，硅的表面会形成不稳定的固体电解质界面膜，而硅的导电性能也较差，这些因素都会影响锂离子电池负极性能的发挥。

目前，研究人员主要通过纳米化与复合化改善硅基材料的结构与界面稳定性以及导电性能，从而提高硅基负极材料的循环性能和动力学性能。一维硅纳米结构是研究人员重点研究的硅基材料之一，该结构提供的外部空间可以释放体积膨胀引起的应力，同时一维的结构也可以提供良好的电接触并促进锂离子的输运。然而，目前的改善效果并不令人满意。

例如，中国专利CN 106784680 A和CN 112582615 A分别公开了一种一维硅碳复合材料及其制备方法，然而其中硅纳米线杂乱生长的特点不利于膨胀应力的均匀释放。中国专利CN 107799723 A公开了一种以硅为壳层的原位生长的一维垂直阵列结构及其制备方法，然而硅表面副产物的生长问题仍未得到有效解决。此外，研究人员多集中在一维硅基材料本身的结构设计上，而对于一维硅基材料相互之间的互通互联则尚未有有效的设计方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明旨在至少某种程度上解决至少一个存在于相关领域中的问题。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于锂离子电池负极的一维硅基复合材料，该一维硅基复合材料具有比容量高、循环寿命长、倍率性能佳、膨胀率低的优点。

本发明提供一种一维硅基复合负极材料，包括：一维硅基材料、包覆层、导电网络，其中，所述一维硅基材料呈竖直排列的阵列，所述包覆层包覆在所述一维硅基材料的表面；所述导电网络填充在所述一维硅基材料的间隙中；且相邻的一维硅基材料的间距D₂与一维硅基材料的直径D₁的比值为20％-80％，所述包覆层的厚度D₃与所述一维硅基材料的间距D₂的比值为5％-35％，所述导电网络的质量含量为5％-25％。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述一维硅基材料的直径D₁小于等于1000nm。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述一维硅基材料的长径比大于等于20。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述一维硅基材料呈线状、棒状、管状中的至少一种。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述一维硅基材料的成分为M_ySiO_x，0≤y≤4，0≤x≤4，并且M包括Li、Mg、Ti或Al中的至少一种。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述包覆层包括碳、金属、合金、金属化合物、硅化合物、固体电解质、导电聚合物中的至少一种。

在上述一维硅基复合负极材料中，其中，所述导电网络包括碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯片、石墨炔片中的至少一种。