负极活性材料及电池制造技术

本申请涉及一种负极活性材料，所述负极活性材料包括核结构、包覆在所述核结构表面至少一部分的第一包覆层，以及包覆在第一包覆层表面至少一部分的第二包覆层，所述核结构包括硅基材料，所述第一包覆层包括钛元素，所述第二包覆层包括聚合物，且所述负极活性材料在以CuKα射线为放射源的X射线衍射的测试中检测到Ti

Negative active materials and batteries

【技术实现步骤摘要】
负极活性材料及电池
本申请涉及二次电池
，具体地涉及一种负极活性材料及电池。
技术介绍
随着能源与环境问题的日益凸显，新能源产业得到了越来越多的重视。二次电池因其能量密度高、循环性能好等特点，近年来作为一种重要的新型储能装置被广泛应用。目前商品化的二次电池的负极活性材料多以石墨为主，由于石墨本身的理论嵌锂容量较低，仅为372mAh/g，且仅通过改进电池设计结构和制造工艺也难以提高能量密度，使其在需要高能量输出的领域的应用受到限制，因此需要更高比能量的负极活性材料。近年来，非碳类负极活性材料在二次电池的负极活性材料领域引起了极大的关注，其可逆容量远高于碳类负极活性材料。其中，硅基材料由于具有很高的理论容量(4200mAh/g)，嵌锂电位低，电化学可逆容量高，安全性能好，资源丰富等优势，成为其中最受关注的焦点。但是，硅基材料在循环过程中会产生巨大的体积膨胀(约为400％)，导致在充放电过程中出现活性材料的粉化脱落，容量衰减严重，降低了电池的效率和循环性能，而且存在严重的安全隐患。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本申请的目的在于提供一种负极活性材料及电池。采用本专利技术的负极活性材料制作的电池同时具有良好的循环性能和较高的首次库伦效率。本申请的第一方面提供一种负极活性材料，所述负极活性材料包括核结构、包覆在所述核结构表面至少一部分的第一包覆层，以及包覆在第一包覆层表面至少一部分的第二包覆层，所述核结构包括硅基材料，所述第一包覆层包括钛元素，所述第二包覆层包括聚合物，且所述负极活性材料在以CuKa射线为放射源的X射线衍射(XRD)测试中检测到Ti5Si3相。本申请的第二方面提供一种电池，包括正极极片、负极极片、隔离膜及电解液，其中所述负极极片包括本申请第一方面提供的负极活性材料。本申请的有益效果：本申请的负极活性材料采用双层包覆结构，第一包覆层包括钛元素，大大增加了材料的导电性；第二包覆层包括聚合物，其具有较高的抗拉强度，可以有效抑制材料在循环过程中的膨胀。同时，所述负极活性材料还具有特定的相态，其可以使核结构与第一层包覆层通过共价键紧密的结合在一起，有效阻止核结构与电解液直接接触，从而极大的提升了材料的首次库伦效率与循环性能。附图说明图1是以CuKa射线作为放射源，照射本专利技术的负极活性材料而得到的X射线衍射图谱。具体实施方式下面详细说明本申请的负极活性材料、负极极片及二次电池。本申请的第一方面提供一种负极活性材料，所述负极活性材料包括核结构、包覆在所述核结构表面至少一部分的第一包覆层，以及包覆在第一包覆层表面至少一部分的第二包覆层，所述核结构包括硅基材料，所述第一包覆层包括钛元素，所述第二包覆层包括聚合物，且所述负极活性材料在以CuKα射线为放射源的XRD测试中存在Ti5Si3相。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，所述硅基材料可以选自单质硅、硅氧化合物、硅碳化合物、硅合金中的一种或多种。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，所述第二包覆层的聚合物选自聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或几种。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，所述第一包覆层的厚度为50nm～400nm，优选为100nm～300nm；所述第一包覆层的质量占负极活性材料总质量的1％～10％，优选4％～8％。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，所述第二包覆层的厚度为10nm～700nm，优选为100nm～400nm；所述第二包覆层的质量占负极活性材料总质量的0.5％～10％，优选为1％～5％。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，优选地，所述负极活性材料中的核结构占负极活性材料总质量的90％～99.5％。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，所述负极活性材料在20MPa压力下，具有0.005Ω·cm～100Ω·cm，优选0.01Ω·cm～70Ω·cm的电阻率。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，优选地，所述负极活性材料满足5μm≤Dv50≤20μm，优选为8μm≤Dv50≤15μm。平均粒径过小，材料易出现团聚，且容易与电解液发生副反应；平均粒径过大会降低活性离子在材料内部的扩散速率，降低倍率性能。同时，硅颗粒体积变化时内应力过大易发生颗粒破碎，增加极片膨胀率，从而影响电池的循环性能。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，优选地，所述负极活性材料满足lμm≤Dn10≤8μm，更优选地，2μm≤Dn10≤5μm。Dn10代表负极活性材料累计数量百分数达到10％时所对应的粒径，通常Dn10越高，在材料应用到电池后，负极极片的小颗粒越多，极片反弹越低，但是小颗粒部分含量过高时容易降低极片压实密度，同时增加极片副反应，恶化电化学性能。在根据本申请第一方面所述的负极活性材料中，为了进一步提高本申请负极活性材料的导电性，可以在第一包覆层或/和第二包覆层中加入导电材料。本申请第一方面所述的负极活性材料可以按如下方法制备：(1)将硅基材料粉末与金属钛粉末以一定比例混合，进行球磨，得到混合粉末；(2)将步骤(1)得到的混合粉末放入气氛炉内，在惰性气氛中进行高温合成，并保温一定时间后，得到具有第一包覆层的硅基复合材料，该硅基复合材料以硅基为核结构，以第一包覆层为壳结构；(3)将一定量的聚合物溶解到溶剂中，配制成聚合物浆料；(4)将步骤(2)得到的硅基复合材料加入步骤(3)的聚合物浆料中混合均匀，在一定温度下进行干燥，直到溶剂完全除去，将得到的产物过筛。(5)可选地，在步骤(1)和/或步骤(3)中还可以包括如下步骤：加入一定质量的导电材料。以上所述制备方法中如下参数会影响负极活性材料中Ti5Si3相的形成：金属钛的添加量和高温合成时的保温时间。只有当钛的添加量达到一定值时，才会有Ti5Si3相生成，而当钛含量太多时，又会导致活性材料容量损失严重。合成时的保温时间太短，会导致固相反应不完全，影响Ti5Si3相的生成。因此，优选地，步骤(1)中所述金属钛的量为硅基材料质量的1.5％～15％，优选为3％～10％；步骤(2)中所述高温合成温度为700℃～1500℃，优选地采用900℃～1200℃；保温时间2h～8h，优选为3.5h～6h。另外，优选地，步骤(1)中所述球磨时间为3h～10h，优选为5h～8h。另外，优选地，步骤(2)中所述惰性气氛由下述至少一种气体提供：氮气、氩气、氦气；所述高温合成步骤中升温速度为1～10℃/min，优选为1～5℃/min。在在上述制备方法中，步骤(3)的溶剂可选自水、丙酮、二甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙醇中的一种或几种。在上述制备方法中，步骤(3)的聚合物可选自聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或几种；聚合物的加入量占硅基复合材料质量的0.5％～10％。在上述制备方法中，可选的步骤(5)中的导电材料可以选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯等。按上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极活性材料，其特征在于，所述负极活性材料包括核结构、包覆在所述核结构表面至少一部分的第一包覆层，以及包覆在第一包覆层表面至少一部分的第二包覆层，所述核结构包括硅基材料，所述第一包覆层包括钛元素，所述第二包覆层包括聚合物，且所述负极活性材料在以CuKα射线为放射源的X射线衍射测试中检测到Ti

【技术特征摘要】
1.一种负极活性材料，其特征在于，所述负极活性材料包括核结构、包覆在所述核结构表面至少一部分的第一包覆层，以及包覆在第一包覆层表面至少一部分的第二包覆层，所述核结构包括硅基材料，所述第一包覆层包括钛元素，所述第二包覆层包括聚合物，且所述负极活性材料在以CuKα射线为放射源的X射线衍射测试中检测到Ti5Si3相。


2.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述硅基材料选自单质硅、硅氧化合物、硅碳化合物、硅合金中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述聚合物选自聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乙烯醇中的一种或几种。


4.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述第一包覆层的厚度为50nm～400nm，优选为100nm～300nm；所述第一包覆层的质量占负极活性材料总质量的1％～10％，优选为4％～8％。


5.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述第二包覆层的厚度为10nm～700nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾毓群，梁成都，温严，刘欣，官英杰，李铖，黄起森，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35