锂含量梯度分布的锂电池负极材料及制备方法和锂电池技术

本发明专利技术实施例涉及一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料及制备方法和锂电池，所述负极材料具有核壳结构，包括内核和外壳；所述内核包括硅酸锂与硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层；所述酸洗层位于所述核心的外部；所述核心中，锂元素在所述硅基材料中均匀分布；酸洗层为多孔结构，所述酸洗层中，锂元素由所述核心与所述酸洗层的界面处向所述内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；所述外壳为有机碳源热解或碳源气体气相沉积形成的碳层；在所述负极材料中，按质量比，核心：酸洗层：外壳＝[50％，90％)：(10％，40％]：(0％，10％]。

【技术实现步骤摘要】
锂含量梯度分布的锂电池负极材料及制备方法和锂电池
本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料及制备方法和锂电池。
技术介绍
随着清洁能源口号的提出，传统铅酸蓄电池因铅对环境的严重危害而慢慢为人们所摈弃，因此锂离子电池应运而生。1991年，日本索尼公司终于推出第一个商用锂离子电池。自此，锂离子电池进入快速发展阶段。目前，随着锂离子电池技术的不断发展，更高能量密度、更好的安全性已是人们关注的重点。相比石墨的372mAh/g，金属硅的理论比容量高达4200mAh/g，是目前较为理想的负极材料。硅基材料的预锂化技术也较为成熟。专利申请CN201410127056.3公开了锂离子电池负极材料正硅酸锂的高温固相制备方法，该方法包括：将硅源与锂源按比例混和球磨、低温还原，再高温下烧结处理得到正硅酸锂负极材料；最后通过表面包碳提高电导率。但通过该方法制备出的正硅酸锂负极材料容量低，不适用于高能量密度要求。专利申请CN201910938439.1公开了一种硅基负极材料及其制备方法，该硅基负极材料包括：氧化亚硅颗粒；包覆在所述氧化亚硅颗粒表面的硅酸锂/碳复合层。硅酸锂/碳复合层中含有的碳能够增加材料的电子导电性，硅酸锂能够增加材料的离子导电性，总体上提高了材料的导电性能。但表层硅酸锂的分布在锂电池嵌锂时极容易堵塞锂离子进入的通道，导致容量的异常衰减。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料及制备方法和锂电池，负极材料具有核壳结构，内核为硅酸锂与硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层，且在酸洗层中，锂元素由所述核心与所述酸洗层的界面处向所述内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；外壳为碳层。内核中的预先插入的锂元素能减少首次循环中锂离子的嵌入量，减少锂消耗，提高首次循环效率；酸洗层疏松多孔的结构有助于脱嵌锂时锂离子的输送；表层的碳层外壳有助于增加材料的电子导电性。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料，所述负极材料具有核壳结构，包括内核和外壳；所述内核包括硅酸锂与金属硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层；所述酸洗层位于所述核心的外部；所述核心中，锂元素在所述硅基材料中均匀分布；所述酸洗层为多孔结构，所述酸洗层中，锂元素由所述核心与所述酸洗层的界面处向所述内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；所述外壳为有机碳源热解或碳源气体气相沉积形成的碳层；在所述负极材料中，按质量比，核心：酸洗层：外壳＝[50％，90％]：(10％，40％]：(0％，10％]。优选的，所述内核中的锂元素以硅酸锂形式存在，具体包括Li4SiO4、Li2Si2O5、Li2SiO3中的一种或几种；所述核心中硅酸锂所占质量比为[20％-80％]；所述酸洗层中硅酸锂所占质量比为(0％-20％]。优选的，使用Cu-Ka射线对所述负极材料进行X射线衍射的测定，分别在2θ为18.906°、26.920°、33.079°、38.438°处具有硅酸锂Li2SiO3结晶体的特征峰，或/和在2θ为22.228°、22.594°、33.919°处具有硅酸锂Li4SiO4结晶体的特征峰，或/和在2θ为28.501°、47.405°、56.247°处具有硅酸锂Li2Si2O5的结晶体的特征峰。优选的，所述负极材料的中值粒径为1um-30um，比表面积为0.5m2/g-10m2/g，质量比容量为500mAh/g-1500mAh/g。第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的锂含量梯度分布的锂电池负极材料的制备方法，包括：将含锂无机化合物与金属硅和氧化硅按所需比例混合后，将混合物在真空下加热至1200℃-1700℃，30min-5小时得到第一中间产物；将所述第一中间产物进行粉碎处理后，对粉碎后的第一中间产物的材料表层进行酸洗处理，得到在所述材料表层一定厚度范围内具有多孔结构且硅酸锂呈递减的浓度梯度分布的第二中间产物；对所述第二中间产物进行碳包覆处理，得到所述锂含量梯度分布的锂电池负极材料。优选的，所述含锂无机化合物包括：碳酸锂、氢氧化锂、氢化锂、氟化锂中的一种或多种；所述含锂无机化合物占所述混合物总质量的[2％，30％]；所述金属硅占混合物总质量的(35％，49％]；所述氧化硅占混合物总质量的(35％，49％]；所述混合的转速为150r/min-250r/min，时间为30min-1小时。优选的，所述酸洗处理具体为使用盐酸对所述第一中间产物进行浸泡处理；所述盐酸的浓度为0.5moL/L-5moL/L，所述盐酸与所述第一中间产物的质量比为1:1-5:1；所述浸泡处理的浸泡时间为10min-1小时。优选的，所述碳包覆处理具体为：有机碳源热解包覆或碳源气体气相包覆；其中，所述有机碳源热解包覆中，有机碳源为沥青、葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、淀粉中的一种或多种；热解包覆温度为700℃-900℃，保温时间30min-12小时；所述碳源气体气相包覆中，碳源气体为甲烷、乙炔、丙烷、丙炔中的一种或多种；气相包覆温度为600℃-900℃，保温时间30min-12小时。第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极极片，包括上述第一方面所述的锂含量梯度分布的锂电池负极材料。第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，包括上述第一方面所述的锂含量梯度分布的锂电池负极材料。本专利技术实施例提供的锂含量梯度分布的锂电池负极材料，具有核壳结构，内核为硅酸锂与硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层，且在酸洗层中，锂元素由核心与酸洗层的界面处向内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；外壳为碳层。内核中的预先插入的锂元素能减少首次循环中锂离子的嵌入量，减少锂消耗，提高首次循环效率；酸洗层疏松多孔的结构有助于脱嵌锂时锂离子的输送；表层的碳层外壳有助于增加材料的电子导电性；由此本专利技术提供的锂含量梯度分布的锂电池负极材料，具有高首效、高离子、电子导电性的特点，能够应用于软包电池、圆柱电池、扣式电池等锂电池中。附图说明图1为本专利技术实施例提供的锂含量梯度分布的锂电池负极材料的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的锂含量梯度分布的锂电池负极材料的制备方法流程图；图3为本专利技术实施例1提供的锂含量梯度分布的锂电池负极材料的X射线衍射(XRD)图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。本专利技术实施例提供了一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料，具有核壳结构，包括内核和外壳；结构如图1所示。内核包括硅酸锂与金属硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层；酸洗层位于所述核心的外部；核心中，锂元素在硅基材料中均匀分布；酸洗层为多孔结构，酸洗层中，锂元素由核心与酸洗层的界面处向内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；其中，内核中的锂元素以硅酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料，其特征在于，所述负极材料具有核壳结构，包括内核和外壳；/n所述内核包括硅酸锂与金属硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层；所述酸洗层位于所述核心的外部；所述核心中，锂元素在所述硅基材料中均匀分布；所述酸洗层为多孔结构，所述酸洗层中，锂元素由所述核心与所述酸洗层的界面处向所述内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；/n所述外壳为有机碳源热解或碳源气体气相沉积形成的碳层；/n在所述负极材料中，按质量比，核心：酸洗层：外壳＝[50％，90％]：(10％，40％]：(0％，10％]。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂含量梯度分布的锂电池负极材料，其特征在于，所述负极材料具有核壳结构，包括内核和外壳；
所述内核包括硅酸锂与金属硅和氧化硅复合形成的含锂元素的硅基材料，具体分为核心和酸洗层；所述酸洗层位于所述核心的外部；所述核心中，锂元素在所述硅基材料中均匀分布；所述酸洗层为多孔结构，所述酸洗层中，锂元素由所述核心与所述酸洗层的界面处向所述内核的边缘呈递减的浓度梯度分布；
所述外壳为有机碳源热解或碳源气体气相沉积形成的碳层；
在所述负极材料中，按质量比，核心：酸洗层：外壳＝[50％，90％]：(10％，40％]：(0％，10％]。


2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述内核中的锂元素以硅酸锂形式存在，具体包括Li4SiO4、Li2Si2O5、Li2SiO3中的一种或几种；所述核心中硅酸锂所占质量比为[20％-80％]；所述酸洗层中硅酸锂所占质量比为(0％-20％]。


3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，使用Cu-Ka射线对所述负极材料进行X射线衍射的测定，分别在2θ为18.906°、26.920°、33.079°、38.438°处具有硅酸锂Li2SiO3结晶体的特征峰，或/和在2θ为22.228°、22.594°、33.919°处具有硅酸锂Li4SiO4结晶体的特征峰，或/和在2θ为28.501°、47.405°、56.247°处具有硅酸锂Li2Si2O5的结晶体的特征峰。


4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料的中值粒径为1um-30um，比表面积为0.5m2/g-10m2/g，质量比容量为500mAh/g-1500mAh/g。


5.一种上述权利要求1-4任一所述的锂含量梯度分布的锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将含锂无机化合物与金属硅和氧化硅按所需比例混合后，将混合物在真空下...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱静，刘柏男，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32