一种含硅材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种含硅材料及其制备方法，包括硅氧化物颗粒和地聚合物，所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部和表面；或所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部或表面。含硅材料的制备方法，包括以下步骤：(1)准备所需原料，将硅和二氧化硅混合后加热沉积得到沉积物，将沉积物粉碎得到硅氧化物颗粒；(2)将硅氧化物颗粒与硅铝酸盐在特定条件下激发进行反应，得到含硅材料。本发明专利技术的含硅材料体积效应和对水敏感性低，能有效提高首次循环效率以及安全性能。本发明专利技术的制备方法工艺简单、操作简便、产能高，可适用于大规模产业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种含硅材料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂离子电池领域，尤其涉及一种含硅材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在现有的二次电池种类中，锂离子电池在发展空间、使用寿命和电学性能等方面都具有较大的优势，具备相当的竞争力。目前，高速发展的动力电池市场对锂离子电池提出了更高的要求：更高的能量密度、更好的循环寿命、更好的高低温充放电性能和安全性能等，因此，作为锂离子电池的重要组成部分和影响电池电学性能的关键因素，关于锂离子电池电极材料的研究还需要进一步地深入与完善。硅作为新型负极活性材料表现出了很高的容量，同时该类材料的脱嵌锂电压较低，被认为是最有希望替代碳材料成为下一代锂离子电池的负极材料。但是硅作为负极活性材料使用时在充放电过程中存在较大的体积效应，易导致电极断裂粉化、电阻增大、循环性能骤降，严重地限制了硅负极材料的利用和商业化进程。目前，对于硅负极活性材料的研究主要包括硅粉与碳源进行混合热解制备硅-碳复合材料、使用气相法同时沉积硅和非晶二氧化硅等，但经过上述方法改进后的硅负极活性材料的首次充放效率依然较低，对水仍比较敏感，安全性和稳定性也未得到明显的提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，为克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种含硅材料及其制备方法和应用，该含硅材料体积效应和对水敏感性低，能有效提高首次循环效率以及安全性能。该含硅材料的制备方法工艺简单、操作简便、产能高，可适用于大规模产业化生产。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种含硅材料，包括硅氧化物颗粒和地聚合物，该地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部和表面；或地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部或表面。硅氧化物颗粒包括硅相以及二氧化硅相，二氧化硅相分散在硅相的内部和/或表面，当硅氧化物作为负极活性材料时，硅氧化物颗粒中的二氧化硅在充放电过程中具有明显的体积效应，造成了电池循环性能和首次循环效率的降低，还容易导致使用安全方面的问题出现；硅氧化物中的地聚合物由二氧化硅反应转化生成，因此地聚合物的存在能够降低硅氧化物中作为二氧化硅的质量占比，提高了短路时的接触电阻，降低了负极活性材料的体积效应，有利于提高电池的首次循环效率、循环性能以及安全性能；同时，地聚合物的添加不会影响负极材料性能。作为上述技术方案的优选，地聚合物为-Si-O-Al-O-作为基本结构单元的、在一定温度下发生地质聚合反应形成的以共价键和离子键为主的三维网状凝胶无机聚合硅酸盐材料。作为上述技术方案的优选，地聚合物在含硅材料中的质量分数为A，0.1％＜A＜50％，作为进一步的优选，0.1％＜A＜25％。在地聚合物的质量分数达到0.1％时，含硅材料作为负极活性材料的对水敏感性得到了较为显著的改善；而若地聚合物的质量分数超过50％，则会导致含硅材料作为负极活性材料时失去其电学性质，导致电池无法正常使用；经过专利技术人的反复试验和测试，得到地聚合物最适宜的质量分数A为0.1％＜A＜25％。作为上述技术方案的优选，上述含硅材料中含有金属元素M，该金属元素M为第一、第二、第三、第四主族元素和副族元素中的一种或多种。上述第一、第二、第三、第四主族和副族元素中的金属元素均具有较好的导电性或其他特性，能够改善在加入地聚合物后的含硅材料的电化学性能，减少因地聚合物加入造成的含硅材料电化学性能的下降程度。作为上述技术方案的优选，上述金属元素M为Al、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cr、Ti、Zn、Zr和Ge中的一种或多种。上述金属元素具有良好的电学特性，可进一步改善含硅材料的电化学性能，并且上述金属元素对应的氧化物和硅氧化物能稳定存在，可以改善含硅材料的电化学性能。作为上述技术方案的优选，上述金属元素M在地聚合物中的质量分数为B，0.1％＜B＜50％。经专利技术人反复试验后确认，含有该取值范围内的金属元素的地聚合物，其电学性能最优，能够最大程度上减少含硅材料添加地聚合物后电学方面性能下降的程度，若地聚合物中的金属元素质量分数超过50％则会影响材料结构或过度影响材料的容量，失去经济价值。作为上述技术方案的优选，硅氧化物颗粒包括硅相和二氧化硅相，硅相可以含有金属元素X，上述金属元素X为碱金属、碱土金属、钛元素和铝元素中的一种或多种，和/或二氧化硅相中可以含有金属元素Z，上述金属元素Z为碱金属、碱土金属、钛元素和铝元素中的一种或多种。硅相和/或二氧化硅相中金属元素的存在可改善硅氧化物颗粒的电化学性能。作为上述技术方案的优选，上述金属元素X和Z可以为Li、Mg、Al和Ti中的一种或多种。上述几种金属的导电性较硅好或可以降低材料的相对氧含量，能够最大程度上提高硅氧化物颗粒以及含硅材料在电学方面的表现。作为上述技术方案的优选，含硅材料还包括碳材料层，该碳材料层覆盖在硅氧化物颗粒的表面。该处设计的思路在于，由于碳材料具有较高的可逆比容量和导电性能，使用碳材料层对含硅进行包覆能够改善含硅活性物质颗粒的比容量和导电性，从而提高负极活性材料及其所应用于的电池的电学性能。作为上述技术方案的优选，碳材料层质量占含硅材料质量的0.01％～30％。作为上述技术方案的优选，硅氧化物颗粒的分子式由SiOx表示，0.5≤x≤1.7。一种含硅负极活性材料的制备方法，包括以下步骤：将硅氧化物与硅铝酸盐在特定条件下激发进行反应。上述技术方案的反应原理如下：通过与硅铝酸盐进行反应，能够将含硅材料中的SiO2反应转化成地聚合物，从而降低了含硅材料的体积效应，有利于提高电池的首次循环效率、循环性能以及安全性能；本技术方案的制备方法操作简单，适于大规模产业化生产。作为上述技术方案的优选，步骤(2)中的硅铝酸盐可能为B、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cr、Ti、Zn、Zr和Ge的铝硅酸盐中的一种或多种。选择可能含有B、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cr、Ti、Zn、Zr和Ge的铝硅酸盐作为反应原料，能够将碱金属和碱土金属元素引入负极活性材料的地聚合物中，在减少负极活性材料充放电过程中的体积效应的同时，提高负极活性材料的电化学性能。作为上述技术方案的优选，步骤(2)的硅氧化物颗粒与硅铝酸盐的反应激发条件为将硅氧化物颗粒与硅铝酸盐混合加热反应或混合浸渍在碱性溶液中反应。一种上述技术方案的含硅材料的应用，该含硅材料作为负极活性材料应用于锂离子二次电池中。上述技术方案的设计思路在于，将含硅材料作为负极活性材料应用于锂离子二次电池中，可以有效降低锂离子二次电池负极材料的体积效应，有利于提高电池的首次循环效率以及安全性能。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的含硅材料，能够降低嵌锂和释锂时材料的体积效应，从而提高电池的首次循环效率以及安全性能，同时由于地聚合物本身是是对水稳定的成份，因此对负极活性材料对水敏感的问题有一定的改善作用。(2)本专利技术的含硅材料的制备方法，工艺简单、操作简便、产能高，可适用于大规模产业化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含硅材料，其特征在于，包括硅氧化物颗粒和地聚合物，所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部和表面；或所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部或表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种含硅材料，其特征在于，包括硅氧化物颗粒和地聚合物，所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部和表面；或所述地聚合物分散在硅氧化物颗粒的内部或表面。


2.如权利要求1所述的含硅材料，其特征在于，所述地聚合物的质量在所述含硅材料的质量分数为A，0.1％＜A＜50％。


3.如权利要求1所述的含硅材料，其特征在于，所述含硅材料含有金属元素M，所述金属元素M为第一、第二、第三、第四主族元素和副族元素中的一种或多种。


4.如权利要求3所述的含硅材料，其特征在于，所述金属元素M为Al、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cr、Ti、Zn、Zr和Ge中的一种或多种。


5.如权利要求3所述的含硅材料，其特征在于，所述金属元素M在所述地聚合物中的质量分数为B，0.1％＜B＜50％。


6.如权利要求1-5任一项所述的含硅材料，其特征在于，所述含硅材料表面还覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：方自力，杨乐之，涂飞跃，陈涛，汤刚，唐唯佳，陈文强，覃事彪，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43