一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池制造技术

本发明专利技术涉及一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；所述内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料的通式为M

【技术实现步骤摘要】
一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池
本专利技术涉及电池材料
，尤其涉及一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。
技术介绍
新能源汽车对长里程的追求对电池的能量密度提出了更高的要求。为了使电动汽车性价比达到最佳，单体电池的能量密度需达到350Wh/Kg(750Wh/L)。为了提高电池的能量密度，国内外电池材料厂致力于开发更高容量密度的正负极活性材料。硅基负极是目前商业上主要研发的高能量密度负极材料。金属硅的理论容量高达4200mAh/g，但是在嵌锂形成Li22Si5合金的过程中伴随着约300％的体积膨胀，将会导致电极材料结构崩坍、固体电解质界面(SEI)不断破坏再生成过程，使得金属硅的循环性能特别差。氧化亚硅(SiOx)相比于硅容量小，但对于缓解体积膨胀提高电池的循环寿命有着明显的优势。理想的SiOx具有硅纳米团簇均匀分散于SiO2基质中的结构，在首周嵌锂时，锂与二氧化硅反应会生成多种不可逆的锂氧化物，这些不可逆产物会作为硅体积膨胀的缓冲带，抑制硅的体积膨胀。但是缓冲带的作用是有限的，并不能使SiOx的循环性能达到可实际应用的标准。为了降低硅基负极的膨胀，国内外研究人员通过活性物质纳米化、设计多孔结构、掺杂等方向进行了研究探索。专利CN103682287A设计了纳米硅颗粒内嵌在空心石墨内层的结构，通过纳米化和空心结构的设计，提高了硅负极的循环性能。文献(Zhaolin,Li,Hailei,等.Watermelon-LikeStructuredSiOx–TiO2@CNanocompositeasaHigh-PerformanceLithium-IonBatteryAnode[J].AdvancedFunctionalMaterials,2016.)报道了具有核壳结构的氧化亚硅-二氧化钛@碳(SiOx-TiO2@C)复合纳米材料，TiO2脱嵌锂时体积变化小，将其分布于SiOx基质中，可起钉扎效应，提高SiOx颗粒的结构稳定性，有效改善SiOx材料在高电流密度充放电下的循环特性。但目前而言，硅基负极体系的性能改善仍然面临着纳米颗粒大规模制备和分散、多孔结构稳定性设计、掺杂稳定性等难题。硅基负极的体积膨胀大循环性能差的问题还未得到真正有效的解决。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。通过向传统氧化亚硅材料中引入硅酸盐材料在其中弥散分布，对氧化亚硅材料改性作为硅基负极材料，弥散分布的硅酸盐材料构成硅基负极材料的骨架结构，面对硅基负极的体积膨胀，硅酸盐骨架能起到钉扎作用，减缓形变应力，有利于提高材料的循环性能。第一方面，本专利技术实施例提供了一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料，所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；所述内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料的通式为MxSiOy，1≤X＜6，3≤y＜6，元素M包含Mg、Ni、Cu、Zn、Al、Na、Ca、K、Li、Fe、Co中的一种或多种；所述改性氧化亚硅材料的晶粒尺寸为0.5nm-100nm；所述改性氧化亚硅材料中，所述硅酸盐材料的含量占改性氧化亚硅材料总质量的5％-60％；弥散分布的所述硅酸盐材料构成所述硅基负极材料的骨架结构，不随硅基负极材料在循环过程中的脱锂和嵌锂而发生理化反应，且在多次循环后保持原始结构不变。优选的，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层包覆在所述改性氧化亚硅材料之外，厚度为1nm-100nm。优选的，所述改性氧化亚硅材料的晶粒尺寸为2nm-30nm；所述改性氧化亚硅材料中，所述硅酸盐材料的含量占改性氧化亚硅材料总质量的10％-30％。优选的，所述硅基负极材料的平均粒径(D50)为0.1-40μm，比表面积为0.5m2/g-40m2/g。进一步优选的，所述硅基负极材料的平均粒径(D50)为2-15μm，比表面积为1m2/g-10m2/g。优选的，所述元素M为Mg时，对应的硅酸盐为MgSiO3和/或Mg2SiO4；所述MgSiO3的XRD衍射峰最强峰位于28.1度、31.1度、34.8度、34.9度、36.9度中的一处或几处，所述Mg2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于36.5度处；所述元素M为Ni时，对应的硅酸盐为NiSiO4，所述NiSiO4的XRD衍射峰最强峰位于37.0度处；所述元素M为Cu时，对应的硅酸盐为CuSiO3；所述CuSiO3的XRD衍射峰最强峰位于12.2度处；所述元素M为Zn时，对应的硅酸盐为ZnSiO3和/或Zn2SiO4；所述ZnSiO3的XRD衍射峰最强峰位于31.0度和/或34.0度处；所述Zn2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于(31.0度和34.0度)、31.5度、31.7度、33.1度、36.5度、37.0度中的一处或几处；所述元素M为Al时，对应的硅酸盐为Al2SiO5；所述Al2SiO5的XRD衍射峰最强峰位于26.1度和/或28.0度处；所述元素M为Na时，对应的硅酸盐为Na2SiO3和/或Na4SiO4；所述Na2SiO3的XRD衍射峰最强峰位于29.4度处，所述Na4SiO4的XRD衍射峰最强峰位于13.0度和23.2度处；所述元素M为Ca时，对应的硅酸盐为CaSiO3和/或Ca2SiO4；所述CaSiO3的XRD衍射峰最强峰位于25.3度和/或30.0度处，所述Ca2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于32.0度、32.1度、32.5度、32.7度、32.8度、33.0度、33.2度中的一处或几处；所述元素M为K时，对应的硅酸盐为K4SiO4；所述K4SiO4的XRD衍射峰最强峰位于30.4度和37.8度处；所述元素M为Li时，对应的硅酸盐为Li2SiO3和/或Li4SiO4；所述Li2SiO3的XRD衍射峰最强峰位于18.9度和/或27.0度处，所述Li4SiO4的XRD衍射峰最强峰位于(22.2度和33.8度)和/或34.9度处；所述元素M为Fe时，对应的硅酸盐为FeSiO3和/或Fe2SiO4；所述FeSiO3的XRD衍射峰最强峰位于32.7度处，所述Fe2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于63.8度处；所述元素M为Co时，对应的硅酸盐为Co2SiO4；所述Co2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于36.4度、36.5度、36.6度中的一处或几处。第二方面，本专利技术实施例提供了一种负极片，所述负极片包括上述第一方面所述的含硅酸盐骨架的硅基负极材料。第三方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述所述负极片包括上述第一方面所述的含硅酸盐骨架的硅基负极材料。优选的，所述负极片包括上述第一方面所述的含硅酸盐骨架的硅基负极材料。本专利技术提供的含硅酸盐骨架的硅基负极材料，通过向传统氧化亚硅材料中引入硅酸盐材料在其中弥散分布，对氧化亚硅材料改性，使改性后的材料可用作硅基负极材料。弥散分布的硅酸盐材料具有稳定的结构和性能，不随材料脱嵌锂发生理化反应，硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；/n所述内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料的通式为M

【技术特征摘要】
1.一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；
所述内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料的通式为MxSiOy，1≤X＜6，3≤y＜6，元素M包含Mg、Ni、Cu、Zn、Al、Na、Ca、K、Li、Fe、Co中的一种或多种；所述改性氧化亚硅材料的晶粒尺寸为0.5nm-100nm；所述改性氧化亚硅材料中，所述硅酸盐材料的含量占改性氧化亚硅材料总质量的5％-60％；
弥散分布的所述硅酸盐材料构成所述硅基负极材料的骨架结构，不随硅基负极材料在循环过程中的脱锂和嵌锂而发生理化反应，且在多次循环后保持原始结构不变。


2.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；
所述碳包覆层包覆在所述改性氧化亚硅材料之外，厚度为1nm-100nm。


3.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述改性氧化亚硅材料的晶粒尺寸为2nm-30nm；所述改性氧化亚硅材料中，所述硅酸盐材料的含量占改性氧化亚硅材料总质量的10％-30％。


4.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料的平均粒径(D50)为0.1-40μm，比表面积为0.5m2/g-40m2/g。


5.根据权利要求4所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料的平均粒径(D50)为2-15μm，比表面积为1m2/g-10m2/g。


6.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，
所述元素M为Mg时，对应的硅酸盐为MgSiO3和/或Mg2SiO4；所述MgSiO3的XRD衍射峰最强峰位于28.1度、31.1度、34.8度、34.9度、36.9度中的一处或几处，所述Mg2SiO4的XRD衍射峰最强峰位于36.5度处；
所述元素M为Ni时，对应的硅酸盐为NiSiO4，所述NiSiO4的XRD衍射峰最强峰位于37.0度处；
所述元素M为Cu时，对应的硅酸盐为CuSiO3；所述CuSiO3的XRD衍射峰最强峰位于12.2度处；
所述元素M为Zn时，对应的硅酸盐为ZnSiO3和/或Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷营营，刘柏男，罗飞，李泓，
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