硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途技术

本发明专利技术涉及硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。所述硅基负极材料包括硅基活性物质，以及包覆在硅基活性物质表面的复合层，复合层包括柔性聚合物和导电材料。所述方法包括：将柔性聚合物溶解于溶剂中，得到柔性聚合物溶液；加入导电材料，导电材料包含鳞片石墨和纳米碳类材料，得到混合包覆液；加入反溶剂，搅拌，得到过饱和化后的混合包覆液；加入硅基活性物质，搅拌分离得到负极材料前驱体；及进行热处理，得到硅基负极材料。本发明专利技术的制备方法简单、成本低、易于实现工业化生产，且制备得到的硅基负极材料具有优异的电化学循环及抑制膨胀性能，可延长锂离子电池的使用寿命。命。命。

【技术实现步骤摘要】
硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途
[0001]本申请是于2017年12月12日提交中国专利局，申请号为201711321650.6、专利技术名称为“一种硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途”的中国专利申请的分案申请。


[0002]本专利技术涉及锂离子电池领域，涉及硅基负极材料、其制备方法及用途，尤其涉及硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途。

技术介绍

[0003]随着锂离子电池向大型应用领域发展，锂离子电池的能量密度、功率密度等性能指标需要进一步提高。在负极材料方面，传统的石墨碳负极材料的比容量有限(372mAh/g)，已经难以满足高能量密度电池的需求，具有高比容量的负极材料成为当前研究重点。硅基材料因其具有高达4200mAh/g的理论比容量而备受关注。但是由于严重的体积效应，以及差的导电性，导致硅负极材料可逆容量低、循环稳定性差。为解决上述硅基材料的问题，研究者们进行了大量的实验研究，如导电聚合包覆、碳包覆、与金属氧化物复合、纳米化和多孔化等。
[0004]如专利CN 106229495 A公开了一种导电聚合物包覆的硅基负极材料及其制备方法。其技术要点在于通过原位聚合将导电聚合物(聚噻吩，聚苯胺，聚吡咯)包覆于硅基材料，并加入海藻酸钠增强稳定性，构建三维网络结构缓冲硅材料的膨胀，但是该方法包覆的导电聚合物导电率较低，并且导电性能不稳定，容易发生去掺杂而失去导电性，导致材料循环性能下降，并且使用的原位聚合制备过程复杂。CN 105186003 A公开了一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法，将聚合物、导电剂及非碳类负极材料分散到适当的溶剂中，形成均匀的乳液，然后进行冷冻或喷雾干燥，得到均匀的黑色粉末材料，在真空下干燥,得到导电聚合物包覆的高容量负极材料，利用聚合物改善非碳负极在循环过程中的体积变化，但是该方法制备的材料，导电剂分散于活性材料周围，会在循环过程中失去与活性材料的连接，并且聚合物的强度较低，并没能有效地改善非碳负极材料的膨胀。
[0005]因此，开发一种循环性能优异、体积膨胀效应低的硅负极材料及其制备方法仍是所属领域的技术难题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供硅基负极材料、其制备方法及在锂离子电池的用途，本专利技术的硅基负极材料具有优异的电化学循环及抑制膨胀性能，可延长锂离子电池的使用寿命。本专利技术的制备方法工艺简单、有效，成本低廉，易于实现工业化和生产过程绿色环保。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0008]第一方面，本申请提供一种硅基负极材料，所述负极材料包括硅基活性物质，以及
包覆在所述硅基活性物质表面的复合层，所述复合层包括柔性聚合物和导电材料；其中，所述导电材料中包含鳞片石墨和纳米碳类材料。
[0009]在上述方案中，复合层包覆在硅基活性物质的表面，其中，鳞片石墨贴合于硅基活性物质的表面，高强度的柔性聚合物包覆在硅基活性物质以及鳞片石墨的表面，纳米碳类材料填补硅基活性物质表面未被贴合和未被包覆的区域，上述三种物质的配合作用能够更加有效地抑制硅基材料的膨胀，而且包覆得到的硅基负极材料导电率高、导电性稳定，因此，本专利技术提供的硅基负极材料非常适合用于锂离子电池，具有优异的循环膨胀性能。
[0010]当然，需要说明的是，为了满足产品的其他使用需求，硅基活性物质表面还可能含有其他物质，比如氧化物、氮化物、金属盐、金属氢氧化物或其他化合物等。其中，氧化物例如可以是氧化铝、氧化锂、氧化镁及氧化磷中的任意一种；氮化物可以是氮化锂、氮化铝及氮化硼中的至少一种；金属盐可以是磷酸锂、磷酸铝、偏磷酸铝、磷酸镁、偏磷酸镁、铝酸锂、硅酸镁、硅酸锂、硅酸铝及硅酸钠中的至少一种；金属氢氧化物例如可以是氢氧化铝及氢氧化镁中的至少一种；其他化合物例如可以是氟化锂、碳酸锂；在此不做限定。以上，仅仅示例性的列举出了能包覆在硅基活性物质表面的一些物质，事实上，根据本领域技术人员对于硅基负极材料性能的其他要求，还可以加入其它材料，只要对于电化学循环及抑制膨胀性能影响在可接受的范围即可。
[0011]在一种可行的实施方式中，所述硅基活性物质的粒径在0.5μm
‑
100μm，硅基活性物质的粒径例如可以是0.5μm、2μm、5μm、10μm、20μm、35μm、50μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，在此不做限定。
[0012]硅基活性物质包括Si、SiOx或硅合金中的任意一种或至少两种的组合，其中0<x≤2。但并不限于上述列举的硅基活性物质，其他本领域常用的硅基活性物质比如碳包覆的硅氧化物也可用于本专利技术。
[0013]在一种可行的实施方式中，所述复合层的厚度在10nm
‑
100nm，复合层的厚度例如可以是10nm、20nm、30nm、45nm、60nm、70nm、80nm、85nm、90nm、95nm或100nm等，在此不做限定。
[0014]在一种可行的实施方式中，所述柔性聚合物为天然的柔性聚合物和/或合成的柔性聚合物。
[0015]在一种可行的实施方式中，所述柔性聚合物为聚烯烃及其衍生物，聚乙烯醇及其衍生物，聚丙烯酸及其衍生物，聚酰胺及其衍生物，羧甲基纤维素及其衍生物，或海藻酸及其衍生物中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]本专利技术所述“天然的柔性聚合物和/或合成的柔性聚合物”指：可以是天然的柔性聚合物，也可以是合成的柔性聚合物，还可以是天然的柔性聚合物和合成的柔性聚合物的混合物。
[0017]所述柔性聚合物的组合典型但非限制性实例有：聚烯烃和聚乙烯醇的组合，聚乙烯醇和羧甲基纤维素的组合，羧甲基纤维素和海藻酸的组合，聚酰胺和羧甲基纤维素的衍生物的组合，聚烯烃、聚烯烃的衍生物和聚丙烯酸的组合，聚乙烯醇、聚酰胺的衍生物和海藻酸的组合，聚烯烃、聚乙烯醇、聚丙烯酸的衍生物、聚酰胺和海藻酸的组合等。
[0018]可选地，所述柔性聚合物为聚烯烃及其衍生物、聚烯烃及其衍生物与海藻酸及其衍生物的组合。
[0019]可选地，所述柔性聚合物的重均分子量为2000
‑
1000000，例如可以是2000、5000、10000、15000、20000、30000、40000、50000、60000、75000、100000、200000、300000、350000、400000、500000、600000、650000、700000、800000、900000或1000000等，优选为100000
‑
500000。
[0020]在一种可行的实施方式中，所述柔性聚合物上含有交联型官能团，所述交联型官能团包括环氧基、羧基、羟基、氨基、双键或叁键中的任意一种或至少两种的组合。可以理解地，交联(也可称为交联反应)是指2个或者更多的分子相互键合交联成网络结构的较稳定分子(体型分子)反应，交联反应可以根据触发因素分为物理交联、化学交联等，在此不做限定。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料，其特征在于，所述负极材料包括硅基活性物质，以及包覆在所述硅基活性物质表面的复合层，所述复合层包括柔性聚合物和导电材料；其中，所述导电材料中包含鳞片石墨和纳米碳类材料。2.一种硅基负极材料，其特征在于，所述负极材料包括硅基活性物质、导电材料及柔性聚合物，所述导电材料和所述柔性聚合物包覆在所述硅基活性物质的表面；其中，所述导电材料包括鳞片石墨及纳米碳类材料。3.一种硅基负极材料，其特征在于，所述负极材料包括硅基活性物质、导电材料及柔性聚合物，其中，所述导电材料包括鳞片石墨及纳米碳类材料；所述鳞片石墨贴合于所述硅基活性物质的表面；所述柔性聚合物包覆于所述硅基活性物质及所述鳞片石墨的表面；所述纳米碳类材料填补于所述硅基活性物质表面未被所述鳞片石墨贴合的区域，和/或，所述纳米碳类材料填补于所述硅基活性物质表面未被所述柔性聚合物包覆的区域。4.根据权利要求1或2或3所述的负极材料，其特征在于，所述硅基活性物质的粒径在0.5μm
‑
100μm；及/或所述硅基活性物质包括Si、SiOx或硅合金中的任意一种或至少两种的组合，其中0<x≤2。5.根据权利要求1或2或3所述的负极材料，其特征在于，所述柔性聚合物为天然的柔性聚合物和/或合成的柔性聚合物；及/或所述柔性聚合物为聚烯烃及其衍生物，聚乙烯醇及其衍生物，聚丙烯酸及其衍生物，聚酰胺及其衍生物，羧甲基纤维素及其衍生物，或海藻酸及其衍生物中的任意一种或至少两种的组合；及/或所述柔性聚合物的重均分子量为2000
‑
1000000；及/或所述柔性聚合物上含有交联型官能团，所述交联型官能团包括环氧基、羧基、羟基、氨基、双键或叁键中的任意一种或至少两种的组合；及/或所述柔性聚合物上含有热交联型官能团，所述热交联型官能团包括环氧基、羧基、羟基、氨基、双键或叁键中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求1～5任一项所述的负极材料，其特征在于，所述鳞片石墨为天然鳞片石墨和/或人造鳞片石墨；及/或所述纳米碳类材料包括导电石墨、石墨烯、碳纳米管或碳纳米纤维中的任意一种或至少两种的组合。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的负极材料，其特征在于，以所述硅基活性物质的总质量为100％计，所述柔性聚合物的质量百分比为0
‑
10％且不包含0；及/或以所述硅基活性物质的总质量为100％计，所述鳞片石墨的质量百分比为0
‑
20％，且不包含0；及/或以所述硅基活性物质的总质量为100％计，所述纳米碳类材料的质量百分比为0
‑
5％，且不包含0。8.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓志强，庞春雷，任建国，黄友元，岳敏，
申请(专利权)人：贝特瑞新材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：