本发明专利技术提供一种负极活性材料，为类层状硅酸盐结构，包括X、H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括X、H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比小于或等于0.4；其中，X选自碱金属和碱土金属元素中的至少一种。本发明专利技术还提供一种负极活性材料的制备方法。本发明专利技术还提供一种电化学电池负极材料。本发明专利技术还提供一种电化学电池。本发明专利技术还提供一种X-H-Si-O体系材料。O体系材料。O体系材料。
【技术实现步骤摘要】
X-H-Si-O材料、负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料及电化学电池
[0001]本专利技术涉及电池
，特别涉及一种新型层状X-H-Si-O体系材料、负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料及电化学电池。
技术介绍
[0002]当今，人们对纯电动汽车和消费类电子产品的需求与日俱增，以锂离子电池为代表的新一代电化学电池以其相对于传统镍镉电池、镍氢电池具有的高能量密度、高功率密度、长循环寿命越来越受到重视。在锂离子电池中，负极活性材料是与锂离子发生可逆的电化学反应并提供可逆脱嵌锂容量的物质。
[0003]目前广泛采用的电化学电池的负极活性材料为石墨类材料，其理论容量为372mAh/g，具有循环性能好、脱嵌锂过程中体积变化小等优点。但碳材料表面碳原子具有大量的不饱和键，在首次充电时电解液会在它们表面分解，形成SEI(Solid Electrolyte Interface)膜，使电池首次放电时循环效率较低。另一种已应用的负极活性材料为钛酸锂，其具有较高的离子传导率，且在锂离子电池首次充放电过程中不需要形成SEI膜，从而具有较高的能量转换效率。但钛酸锂的电子导电性较差且具有较高的放电电压平台。目前仍在研究中的负极活性材料还有合金负极材料，例如硅、铜、锡等，其通过与锂形成合金化合物提供可逆充放电容量，其中硅的理论比容量高达4200mAh/g，但合金负极材料在反复脱嵌锂过程中存在较大的体积膨胀和收缩，从而在多次循环后与导电剂分离甚至从集流体表面剥落。现有技术中有将多孔二氧化硅经过镁热还原制备为多孔硅，通过孔道作为缓冲，抑制充放电过程体积变化，但镁热还原反应复杂，难以兼顾电池制造成本降低的需要。
技术实现思路
[0004]基于此，确有必要提供一种新型X-H-Si-O体系材料、负极活性材料及其制备方法、电化学电池负极材料及电化学电池。
[0005]一种负极活性材料，为类层状硅酸盐结构，包括X、H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括X、H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比小于或等于0.4；其中，X选自碱金属和碱土金属元素中的至少一种。
[0006]在其中一个实施例中，所述X选自Li和Na中的至少一种。
[0007]在其中一个实施例中，所述类层状硅酸盐结构包括多个相互层叠的硅氧四面体层。
[0008]在其中一个实施例中，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层之间的第一金属元素M1，M1与Si的摩尔比≤0.25。
[0009]在其中一个实施例中，M1与Si的摩尔比≤0.025。
[0010]在其中一个实施例中，所述硅氧四面体层为掺杂的硅氧四面体层，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层中取代部分Si位于四面体中心的第二金属元素M2，M2与Si
的摩尔比≤1:3。
[0011]在其中一个实施例中，所述其他金属元素选自Al、Mg、Fe、Ca、Zn及K中的一种或多种。
[0012]在其中一个实施例中，所述H与部分O以结构水和/或结晶水的形式存在，所述结构水以H
+
、OH-、和/或H3O
+
形式存在，所述结晶水以H2O形式存在。
[0013]在其中一个实施例中，所述类层状硅酸盐结构中X与Si的摩尔比为1:4至3:1。
[0014]一种电化学电池负极材料，包括所述的负极活性材料、导电剂及粘结剂。
[0015]一种电化学电池，包括正极、负极及电解质，所述负极包括所述的电化学电池负极材料。
[0016]在其中一个实施例中，为锂离子电池、钠离子电池或镁离子电池。
[0017]一种负极活性材料的制备方法，包括：
[0018]S1，提供提纯后的层状硅酸盐；
[0019]S2，将所述层状硅酸盐与酸溶液混合，至少部分去除层状硅酸盐中的金属元素；
[0020]S3，将所述步骤S2得到的固体产物与X源溶液混合，所述X源溶液的pH值为8至14，使所述固体产物中的氢部分被X取代，得到所述负极活性材料。
[0021]在其中一个实施例中，所述层状硅酸盐为蒙脱石，所述步骤S2的所述酸溶液中氢离子的浓度为0.01mol/L至5mol/L。
[0022]在其中一个实施例中，所述步骤S2的所述酸溶液选自硝酸水溶液、盐酸水溶液、硫酸水溶液、醋酸水溶液、磷酸水溶液和草酸水溶液中的至少一种。
[0023]在其中一个实施例中，所述步骤S3的所述X源溶液中X离子的浓度为0.1mol/L至10mol/L。
[0024]在其中一个实施例中，所述步骤S3的所述使所述固体产物中的氢部分被X取代步骤为液相常压反应步骤或者液相加压反应步骤，所述液相常压反应步骤为使所述混合步骤在常压下进行，温度为25℃至200℃；所述液相加压反应步骤包括水热反应或溶剂热反应步骤，温度为60℃至200℃，反应压力为0.15MPa至60MPa。
[0025]在其中一个实施例中，所述步骤S3的所述X源溶液中的X源选自锂源或钠源中的至少一种，所述锂源包括氢氧化锂、硝酸锂、硫酸锂、碳酸锂、磷酸锂、氯酸锂、氟化锂、氯化锂、溴化锂和碘化锂中的至少一种，所述钠源包括氢氧化钠、硝酸钠、硫酸钠、碳酸钠、磷酸钠、氯酸钠、氟化钠、氯化钠、溴化钠和碘化钠中的至少一种。
[0026]在其中一个实施例中，进一步包括S4，加热所述步骤S3得到的氢部分被X取代后的固体产物，去除至少部分结晶水和/或结构水，并保持所述层状硅酸盐的硅氧四面体层结构。
[0027]在其中一个实施例中，所述层状硅酸盐为坡缕石，所述步骤S4的加热的温度为大于或等于80℃并且小于600℃。
[0028]在其中一个实施例中，所述S4的所述加热的温度通过对所述S2的产物或所述S3的产物进行热重分析得到。
[0029]一种X-H-Si-O体系材料，具有类层状硅酸盐结构，包括X、H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括X、H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比小于或等于0.4；X选自碱金属和碱土金属元素中的至少一种。
[0030]本专利技术提供一种具有类层状硅酸盐结构的层状结构作为负极活性材料，提供一种具有新型储锂机制的硅氧体系材料，利用层状结构之间的间隙提供大量锂离子的迁移通道，使锂离子能够电化学可逆的嵌入和脱出类层状硅酸盐结构，从而使类层状硅酸盐结构具有电化学容量，成为一种新型负极活性材料。该储锂机制对于其他一些碱金属或碱土金属离子的电化学电池也同样适用，例如可以在钠离子电池中作为负极活性材料用于电化学可逆的储钠离子。另外，类层状硅酸盐结构可以通过层状硅酸盐矿物提纯、酸溶液处理和低温加热得到，简单廉价，能够降低电池的制造成本，具有大规模工业化应用前景。
附图说明
[0031]图1为一种层状硅酸盐的晶体结构示意图；
[0032]图2为本专利技术实施例的类层状硅酸盐结构的硅氧四面体层的结构示意图；
[0033]图3为本专利技术实施例的电化学电池的结构示意图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种负极活性材料，其特征在于，具有类层状硅酸盐结构，包括X、H、Si、O，并且不包括其他金属元素；或者包括X、H、Si、O及其他金属元素，且所述其他金属元素与Si的摩尔比小于或等于0.4；X选自碱金属和碱土金属元素中的至少一种。2.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述X选自Li和Na中的至少一种。3.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述类层状硅酸盐结构包括多个相互层叠的硅氧四面体层。4.根据权利要求3所述的负极活性材料，其特征在于，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层之间的第一金属元素M1，M1与Si的摩尔比≤0.25。5.根据权利要求3所述的负极活性材料，其特征在于，所述硅氧四面体层为掺杂的硅氧四面体层，所述其他金属元素包括位于所述硅氧四面体层中取代部分Si位于四面体中心的第二金属元素M2，M2与Si的摩尔比≤1:3。6.根据权利要求1或2所述的负极活性材料，其特征在于，所述其他金属元素选自Al、Mg、Fe、Ca、Zn及K中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述H与部分O以结构水和/或结晶水的形式存在，所述结构水以H
+
、OH-、和/或H3O
+
形式存在，所述结晶水以H2O形式存在。8.根据权利要求1所述的负极活性材料，其特征在于，所述类层状硅酸盐结构中X与Si的摩尔比为1:4至3:1。9.一种电化学电池负极材料，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的负极活性材料、导电剂及粘结剂。10.一种电化学电池，其特征在于，包括正极、负极及电解质，所述负极包括根据权利要求1至8中任一项所述的负极活性材料。11.根据权利要求10所述的电化学电池，其特征在于，为锂离子电池、钠离子电池或镁离子电池。12.一种负极活性材料的制备方法，包括：S1，提供提纯后的层状硅酸盐；S2，将所述层状硅酸盐与酸溶液混合，至少部分去除所述层状硅酸盐中的金属元素；S3，将所述步骤S2得到的固体产物与X源溶液混合，所述X源溶液的pH值为8至14，使所述固体产物中的氢部分被X取代，得到所述负极活性材料。13.根据权利要求12所述的负极活性材料...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐子龙，张俊英，王诗童，赵黎江，张中太，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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