锂离子电池的负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出了锂离子电池的负极材料及其制备方法。该负极材料具有核壳结构，形成核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，核壳结构的外壳由石墨烯形成。本发明专利技术所提出的负极材料，其核壳结构中硅颗粒与固态电解质相互均匀分散，并被石墨烯层包覆表面，可保证负极材料内部硅颗粒之间良好的离子导电率，从而可提高硅容量的发挥，并且改善倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池的负极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池
，具体的，本专利技术涉及锂离子电池的负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着新能源汽车的快速发展，对车用动力电池能量密度以及安全性能的要求在不断地提升。预计到2025年，动力电池能量密度需要达到500Wh/kg以上。为了实现动力电池能量密度的进一步突破，开发下一代新型电池体系已迫在眉睫。其中，固体电池体系因使用固态电解质材料取代现有的液态电解液和隔膜，从而使电池安全性得到极大提升。同时，固体电解质材料对锂金属负极具有良好的稳定性，并可抑制枝晶的生长，从而使固态电池获得更高的能量密度。因此，固态电池被认为是下一代高能量密度、高安全性动力电池的理想选择。但是，固态电池匹配锂金属负极时仍存在明显的问题。例如现有的固态电解质特别是硫化物电解质对锂金属的稳定性较差，无法直接使用；固态电池内部电解质层不可避免存在一定的孔隙和颗粒间间隙，锂枝晶极易穿透这些间隙生长，最终造成电池短路；锂金属负极充放电过程中巨大的体积变化对界面稳定性带来极大的挑战，导致电池倍率、循环等性能均无法达到使用要求。为快速地实现固态电池在能量密度上的突破，寻找高性能的负极替代锂金属负极成为了关键。硅负极，具有媲美于锂金属的比容量(3600mAh/g)，且化学性质稳定，而受到人们的极大关注，成为现阶段高能量密度固态电池用负极的首选。但是，硅负极同样存在一些问题，主要在于体积变化严重，硅负极体积膨胀率300％，在固态电池体系中同样会带来严重的界面问题；并且，硅负极循环性能差，其体积的反复变化导致材料颗粒破摔、脱落，同时消耗大量的电解液，形成较厚的固体电解质界面(SEI)层，最终造成电池阻抗增大、循环寿命下降。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提出一种离子导电率高、硅容量发挥率更高且倍率性能更高的锂离子电池的负极材料。在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种锂离子电池的负极材料。根据本专利技术的实施例，所述负极材料具有核壳结构，形成所述核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，所述核壳结构的外壳由石墨烯形成。专利技术人经过研究发现，本专利技术实施例的负极材料，其核壳结构中硅颗粒与固态电解质相互均匀分散，并被石墨烯层包覆表面，可保证负极材料内部硅颗粒之间良好的离子导电率，从而可提高硅容量的发挥，并且改善倍率性能。另外，根据本专利技术上述实施例的负极材料，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，所述硅材料包括单质硅和氧化硅中的至少一种，其中，所述单质硅包括单晶硅、多晶硅和无定型硅。根据本专利技术的实施例，所述硅材料的颗粒尺寸为0.01～5微米。根据本专利技术的实施例，所述固态电解质材料包括氧化物基固态电解质、硫化物基固态电解质和聚合物基固态电解质中的至少一种；其中，所述氧化物基固态电解质包括LLZO、LLTO、LLZTO、LATO、LATP、LAGP和LiPON，所述硫化物基固态电解质包括LGPS、LPS、LPSI和LPSCl，所述聚合物基固态电解质包括PEO、PPC、PS和PMMA。根据本专利技术的实施例，所述氧化物基固态电解质的颗粒尺寸为0.01～5微米，所述硫化物基固态电解质的颗粒尺寸为0.01～5微米，所述聚合物基固态电解质的分子量为10～200万。根据本专利技术的实施例，所述外壳的厚度为2～200纳米。根据本专利技术的实施例，所述负极材料的颗粒尺寸为0.1～500微米。在本专利技术的第二方面，本专利技术提出了一种制备锂离子电池的负极材料的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：(1)配制分散液，其中，所述分散液包括硅材料、固态电解质材料和氧化石墨烯；(2)将所述分散液通过喷雾干燥法和煅烧处理形成负极材料，且所述负极材料具有核壳结构，所述核壳结构的内核由所述硅材料和所述固态电解质材料形成，所述核壳结构的外壳由石墨烯形成。专利技术人经过研究发现，采用本专利技术实施例的制备方法，在均匀混合的硅颗粒与固态电解质颗粒的外层包覆石墨烯层，可使制备出的负极材料具有高电子导电性的同时，还可有效缓解硅的体积膨胀，并且，该制备方法步骤简单。另外，根据本专利技术上述实施例的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，所述分散液由所述硅材料、所述固态电解质材料、所述氧化石墨烯和溶剂组成。根据本专利技术的实施例，在所述分散液中，所述硅材料的质量含量为20～60％，所述固态电解质材料的质量含量为5～30％，所述石墨烯的质量含量为5～30％。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：图1是本专利技术一个实施例的负极材料的截面结构示意图；图2是本专利技术一个实施例的硅/石墨烯复合材料(a)与硅/固态电解质/石墨烯复合材料(b)的锂离子传输作用机理示意图；图3是本专利技术一个实施例的制备负极材料的方法流程示意图；图4是本专利技术一个实施例的制备方法中喷雾干燥和高温煅烧前后的产品示意图；图5是本专利技术一个实施例与一个对比例的负极材料的充放电倍率对比图；图6是本专利技术一个实施例与一个对比例的负极材料的循环性能对比图。附图标记100内核200外壳具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，本
人员会理解，下面实施例旨在用于解释本专利技术，而不应视为对本专利技术的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种锂离子电池的负极材料。根据本专利技术的实施例，参考图1，负极材料具有核壳结构，形成核壳结构的内核100的材料包括硅材料和固态电解质材料，而核壳结构的外壳200由石墨烯形成。本专利技术的专利技术人在研究过程中发现，虽然在硅表面包覆碳层，可以达到缓解硅体积膨胀、提高循环稳定性的效果，但是，在硅/石墨烯复合材料作为固态电池负极应用时，参考图2的(a)，固态电解质只分布于硅/石墨烯复合材料的外表面，无法进入该负极材料的颗粒内部，从而导致负极材料内部的硅颗粒之间的离子电导率低，硅容量发挥困难，进而造成倍率性能的下降。为此，专利技术人为了解决负极材料内部的离子电导率低问题，参考图2的(b)，将硅颗粒与固态电解质相互均匀分散，并在外表面包覆石墨烯层，固态电解质可为硅材料提供高离子导电网络，从而确保负极材料内部硅颗粒间保持良好的离子电导率，提高硅容量发挥率，进而改善倍率性能。并且，石墨烯包覆结构还可为硅材料体积膨胀提供缓冲空间，确保固态电池中负极与电解质间界面的稳定性，从而改善循环稳定性。在本专利技术的一些实施例中，硅材料可以包括单质硅和氧化硅中的至少一种，其中，所述单质硅包括单晶硅、多晶硅和无定型硅，并且，硅材料的颗粒尺寸为0.01～5微米，如此，采用纳米硅颗粒可以使负极材料内部的比表面更大，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池的负极材料，其特征在于，所述负极材料具有核壳结构，形成所述核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，所述核壳结构的外壳由石墨烯形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的负极材料，其特征在于，所述负极材料具有核壳结构，形成所述核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，所述核壳结构的外壳由石墨烯形成。


2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料包括单质硅和氧化硅中的至少一种，其中，所述单质硅包括单晶硅、多晶硅和无定型硅。


3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料的颗粒尺寸为0.01～5微米。


4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述固态电解质材料包括氧化物基固态电解质、硫化物基固态电解质和聚合物基固态电解质中的至少一种；其中，
所述氧化物基固态电解质包括LLZO、LLTO、LLZTO、LATO、LATP、LAGP和LiPON，
所述硫化物基固态电解质包括LGPS、LPS、LPSI和LPSCl，
所述聚合物基固态电解质包括PEO、PPC、PS和PMMA。


5.根据权利要求4所述的负极材料，其特征在于，所述氧化物基固态电解质的颗粒尺寸为0.01～5微米，所述硫化物基固...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡挺威，赵晓宁，邵玲，邓素祥，马忠龙，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32