[发明专利]电化学装置及其制备方法、电子设备

说明书

本申请公开了一种电化学装置及其制备方法、电子设备，所述电化学装置包括负极极片；所述负极极片包括负极集流体以及位于所述负极集流体上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括具有孔结构的硅合金材料；所述硅合金材料包括硅单质、α相FeSi₂、β相FeSi₂和Fe₃C。本申请通过在硅合金材料内部预留合适的孔结构，用于缓冲硅单质的体积应力，通过硅合金材料包括Fe₃C颗粒，利于提升首次库伦效率和全电芯的循环稳定性；同时，控制优化碳基质的添加量、硅铁合金中硅/铁的含量以及材料粉末的粒径在合适的范围，利于实现电化学装置高首效以及高循环稳定性的特性。

技术领域

本申请涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种电化学装置及其制备方法、电子设备。

背景技术

硅材料因具有极高的理论克容量(3579mAh/g)，是提升锂离子电池体积能量密度最具潜力的锂离子电池负极材料。但是，硅材料粉末充放电过程中体积膨胀大(膨胀约300％)，导致其实际应用时体积能量密度提升不明显、容量衰减快(400圈循环容量保持率低于80％)。将硅与其它金属进行合金化，一方面可以弥补硅电导率较差的的缺点，另一方面硅合金粉末的压实密度显著高于硅粉末，这都有利于去开发应用于高体积能量密度电芯的负极材料；但是对于硅合金，由于可作为缓冲相的非活性或低活性合金中间相的存在，硅合金粉末的克容量较低；硅合金的首次库伦效率偏低(通常70％)。然而，能表现出高能量密度性能的锂离子电池的负极材料需具有高压密、高克容量、高首效、长循环稳定性等特性。

发明内容

本申请提供一种电化学装置及其制备方法、电子设备，通过控制硅合金材料中各成分的含量用以获得高的克容量；同时，在硅合金材料内部预留孔隙以及控制硅合金材料中硅单质的晶畴尺寸，并且控制硅合金材料的颗粒尺寸，用以获得高的首效以及长循环稳定性。

第一方面，本申请提供了一种电化学装置，包括：负极极片；所述负极极片包括负极集流体以及位于所述负极集流体上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括具有孔结构的硅合金材料；所述硅合金材料包括硅单质、α相FeSi₂、β相FeSi₂和Fe₃C。。

本申请通过在硅合金材料内部预留合适的孔结构，用于缓冲硅单质的体积应力，而且硅合金材料具有的Fe₃C颗粒能够显著提高首效，这要归因于Fe₃C的存在影响了固态电解质界面膜的形成，在Fe₃C的作用下，形成了较薄和较为致密的SEI膜。更加稳定的固态电解质界面膜，减少了因不断生成固态电解质界面膜而消耗的锂离子，因此大幅缓解了容量衰减。

在其中一些实施例中，所述α-FeSi₂和所述β-FeSi₂的质量百分含量不高于40％。四方晶体结构的α相FeSi₂是会发生相变的惰性相，而斜方晶体结构的β相FeSi₂是结构稳定的惰性相，合适比例的两种相的配合，可以表现出最优的储锂性能。但是，大量缓冲相的存在致使硅合金的克容量低，为了赋予硅合金材料高克容量，因将其控制在合适的范围，例如40％以下。

在其中一些实施例中，所述硅合金材料中硅元素、铁元素以及碳元素的质量比为58～62：23～27：6～22。通过控制硅元素、铁元素和碳元素的质量比，用以在硅合金材料表面原位生长Fe₃C颗粒，分布于硅铁合金相表面的Fe₃C颗粒可以提升电化学装置的首次库伦效率和全电芯的循环稳定性；碳元素含量过少，对应的Fe₃C颗粒较少，改善效果不明显，碳元素含量过多，除了能生成Fe₃C颗粒外还能形成额外的碳包覆层，导致首效(首次库伦效率)和循环稳定性呈降低趋势。

在其中一些实施例中，所述硅合金材料中硅元素、铁元素以及碳元素的质量比为58～62：23～27：9～11。此时，电化学装置的首次库伦效率和全电芯的循环稳定性较优。