负极材料、负极以及具有该负极的电池制造技术

一种负极材料，至少包括硅氧化物SiOx和碳材料，其中，1≤x≤2。具有该负极材料的负极，具有该负极的电池，以及该负极材料的制备方法。具有多孔结构的负极材料，可以为充放电过程硅氧化物的体积效应提供缓冲空间，同时纳米尺寸的硅氧化物颗粒降低了离子嵌入和脱出时的体积变化，降低了硅基负极材料的体积效应，保证了负极材料的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
负极材料、负极以及具有该负极的电池本申请是申请人于2013年8月29日申请的名称为负极材料及其制备方法、负极、具有该负极的电池，申请号为201310383201.x的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种负极材料，尤其涉及一种含有硅氧化物的负极材料。本专利技术还涉及一种含有硅氧化物负极材料的负极。本专利技术还涉及一种含有硅氧化物负极材料的电池。
技术介绍
锂离子电池与传统的二次电池相比，具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应等优点，应用非常广泛。发展一种安全，低成本，高容量，循环性能稳定，快速充放电的锂离子电池是便携式电子设备和电动汽车的技术进步的迫切需求。目前商用的锂离子电池负极材料为碳类负极材料，碳材料制成的负极材料已经接近石墨的理论容量372mAh/g，因此，大量的研究开始转向寻找可以替代碳材料的新型负极材料，其中硅因其具有极高的理论容量4200mAh/g和低嵌锂电位而被广泛研究，但是，由于硅的导电性能不佳，含有硅负极材料的电池在充放电过程中存在严重的体积效应，导致负极材料发生粉化、脱落并逐渐失去电接触，最终使得电池的循环性能很差。针对上述问题，许多研究都在致力于改良硅基负极材料的导电性、体积效应等问题。美国专利US20080261116A1公开了将硅颗粒沉积在碳材料表面的方法，利用含硅前躯体通过气相与碳材料接触并分解在碳材料表面形成硅颗粒涂层；US20080280207A1公开了在纳米尺寸的硅颗粒组成的连续薄膜表面，沉积碳纳米管制备锂离子电池的负极材料；但这些制备方法过程复杂，制备成本高，不适合于大规模生产。CN101153358A将高分子聚合物、硅粉和石墨粉混合、球磨，并在惰性气体中高温碳化处理制备一种锂离子电池负极材料；CN100344016C将硅粉和碳水化合物混合，利用浓硫酸处理，而形成锂离子电池硅/碳/石墨负极材料；CN100370959A将硅粉和石墨混合球磨，再加入碳水化合物，利用硫酸处理，洗涤，干燥。粉碎而形成硅/碳/石墨负极材料。这些方法在制备硅基负极材料时，有些需要使用大量的有机溶剂、分散剂或粘结剂，有些需要在高温下才能完成并且需要经过破碎处理，破坏产品的包覆结构，增加生产成本同时给工业化带来极大的不便。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种容量高、循环性能稳定、制备方法简单的负极材料。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种负极材料，所述负极材料至少包括硅氧化物SiOx和碳材料，其中，1≤x≤2。优选的，至少部分所述硅氧化物SiOx为具有孔状结构的纳米颗粒。优选的，所述硅氧化物SiOx占所述负极材料的比重范围为5-70％，所述碳材料占所述负极材料的比重范围为30-95％。优选的，所述负极材料还包括金属铜，所述金属铜占所述负极材料的比重范围为0.5-30％。优选的，所述金属铜包覆于所述硅氧化物SiOx，所述碳材料包覆于所述硅氧化物SiOx和金属铜。本专利技术还提供了一种负极材料，所述负极材料包括硅氧化物SiOx，石墨烯和无序碳材料，其中，1≤x≤2。优选的，所述石墨烯占所述负极材料的比重范围为0.5-20％。优选的，所述无序碳材料包覆于所述硅氧化物SiOx和石墨烯。本专利技术还提供了一种负极，所述负极包括如上所述的负极材料。本专利技术还提供了一种电池，包括正极、负极以及设于正极和负极之间的电解质，所述负极包括如上所述的负极材料。本专利技术还提供了一种负极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将碳材料前体溶解于第一溶剂，向溶解有碳材料前体的第一溶剂中加入硅氧化物SiOx，混合后加入第二溶剂，使碳材料前体包覆的硅氧化物SiOx沉淀，将沉淀产物干燥后进行高温处理，获得碳材料包覆的硅氧化物SiOx。本专利技术还提供了一种负极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将碳材料前体溶解于第一溶剂，向溶解有碳材料前体的第一溶剂中加入硅氧化物SiOx和石墨烯，混合后加入第二溶剂，使碳材料前体包覆的硅氧化物SiOx和石墨烯沉淀，将沉淀产物干燥后进行高温处理，获得无序碳材料包覆的硅氧化物SiOx和石墨烯。本专利技术还提供了一种负极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将硅氧化物SiOx分散在硝酸铜溶液中，干燥去除溶液中的溶剂，将干燥后的硅氧化物SiOx和硝酸铜在温度170-300℃下处理1-4h，获得氧化铜包覆的硅氧化物SiOx；将碳材料前体溶解于第一溶剂，向溶解有碳材料前体的第一溶剂中加入氧化铜包覆的硅氧化物SiOx，混合后加入第二溶剂，使碳材料前体包覆的氧化铜包覆的硅氧化物SiOx沉淀，将沉淀产物干燥后进行高温处理，使碳材料前体热解，氧化铜还原成铜，获得碳材料包覆的铜包覆的硅氧化物SiOx。优选的，所述第一溶剂选自二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、环丁砜或N-甲基吡咯烷酮中的一种。优选的，所述第二溶剂包括水、甲醇、乙醇或丙醇中的一种。优选的，将高温处理后的产物用氟化氢溶液溶解掉部分硅氧化物SiOx，获得具有多孔的负极材料。优选的，所述碳材料前体选自聚丙烯腈、聚吡咯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、煤焦油沥青、石油沥青、蔗糖或葡萄糖中的至少一种。优选的，所述高温处理时的温度范围为600-1200℃，高温处理时间范围为1-6h。与现有技术相比，本专利技术中负极材料具有多孔结构，为充放电过程中硅氧化物的体积效应提供空间，同时纳米尺寸的硅氧化物颗粒降低了离子嵌入和脱出时的体积变化，进一步改善了负极材料的体积效应；而金属铜和石墨烯则提高负极材料的导电性能，有利于电荷的快速转移，使得负极材料具有较高的容量、稳定的循环性能。本专利技术提供的负极材料的制备方法简单易行，具有工业化前景。附图说明下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步说明。图1是实施例1提供的负极材料SiO2/C的X射线衍射图；图2是实施例1提供的负极材料SiO2/C的TG和DTA曲线；图3是实施例2提供的负极材料SiO/C的扫描电子显微镜图；图4是实施例3提供的负极材料SiO2/Cu/C的X射线衍射图；图5是实施例3提供的负极材料SiO2/Cu/C的TG和DTA曲线；图6是实施例4提供的负极材料C包覆的SiO和石墨烯的SEM图；图7是实施例5提供的电池恒流充放电时电压和比容量的关系曲线；图8是实施例5提供的电池恒流充放电时的循环性能图；图9是实施例5提供的电池以不同电流密度充放电时的循环性能图；图10是实施例6提供的电池以电流密度55mA/g充放电时的循环性能图；图11是实施例6提供的电池以电流密度55mA/g充放电时电压与比容量关系图；图12是实施例6提供的电池以电流密度110mA/g充放电时的循环性能图；图13是实施例7提供的电池恒流充放电时的循环性能图；图14是实施例7提供的电池以不同电流密度充放电时的循环性能图；图15是实施例8提供的电池恒流充放电时电压与比容量关系图；图16是实施例8提供的电池恒流充放电时的循环性能图；图17是实施例9提供的电池恒流充放电时电压与比容量关系图；图18是实施例9提供的电池以电流密度55mA/g充放电时的循环性能图；图19是实施例9提供的电池以电流密度110mA/g充放电时的循环性能图；图20是实施例11提供的电池恒流充放电时电压与比容量关系图；图21是实施例11提供的电池恒流充放电时的循环性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极材料，所述负极材料包括硅氧化物SiOx和碳材料，其中，1≤x≤2，其特征在于：所述负极材料还包括金属铜，所述金属铜占所述负极材料的比重范围为0.5～30％，所述金属铜包覆于所述硅氧化物SiOx，所述碳材料包覆于所述硅氧化物SiOx和金属铜。

【技术特征摘要】
2012.08.29 CN 20121031253151.一种负极材料，所述负极材料包括硅氧化物SiOx和碳材料，其中，1≤x≤2，其特征在于：所述负极材料还包括金属铜，所述金属铜占所述负极材料的比重范围为0.5～30％，所述金属铜包覆于所述硅氧化物SiOx，所述碳材料包覆于所述硅氧化物SiOx和金属铜。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：至少部分所述硅氧化物SiOx为具有孔状结构的纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述硅氧化物SiOx占所述负极材料的比重范围为5～70％，所述碳材料占所述负极材料的比重范围为30～95％。4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述碳材料包括石墨烯和无序碳。5.根据权利要求4所述的负极材...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璞，李明齐，
申请(专利权)人：苏州宝时得电动工具有限公司，陈璞，
类型：发明
国别省市：江苏,32