一种低膨胀硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池技术

本发明专利技术涉及一种低膨胀硅基复合负极材料，属于锂离子电池技术领域。低膨胀硅基复合负极材料，包括内核以及包覆在内核上的外壳，外壳包括由内向外依次设置的内包覆层、中包覆层、外包覆层，内包覆层为无定型碳层A，中包覆层为固体电解质层，外包覆层为无定型碳层B，外壳的质量占低膨胀硅基复合负极材料质量的5

【技术实现步骤摘要】
一种低膨胀硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池


[0001]本专利技术涉及一种低膨胀硅基复合负极材料，属于锂离子电池


技术介绍

[0002]近年来，随着电动车市场的急剧扩大，市场对锂离子电池能量密度要求越来越高，研发的重点也从之前的提高正极材料能量密度转为对正极材料和负极材料的能量密度同时提高。
[0003]硅基材料由于具有超高的理论能量密度(4200mAh/g)而成为了研发的热点，但是，硅基材料存在的体积膨胀和电子导电性差的问题一直制约着硅基负极材料的规模化应用。电子导电性差会使得电池具有较低的首次效率，体积膨胀会导致极差的循环性能和较差的倍率性能，容量衰减过快。为了解决硅基材料的上述问题，现有技术中采用的方法是将硅基材料纳米化，材料表面包覆降低材料阻抗及其降低膨胀，比如在材料表面包覆无定形碳、固体电解质等束缚充放电过程中的膨胀。
[0004]申请公布号为CN112467115A的中国专利公开了一种硅碳复合材料，该复合材料包括内核和包覆于内核外的外壳；内核包括纳米硅材料；外壳的材料包括碳和含锂固体电解质。其硅碳复合材料虽然可以降低阻抗提高其首次效率并降低膨胀，但是由于内核和外壳之间通过物理结合在一块，造成其材料的满电膨胀大，循环性能扔有待提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种低膨胀硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，以提高硅基复合负极材料的循环性能。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]一种低膨胀硅基复合负极材料，包括内核以及包覆在内核上的外壳，外壳包括由内向外依次设置的内包覆层、中包覆层、外包覆层，内包覆层为无定型碳层A，中包覆层为固体电解质层，外包覆层为无定型碳层B，外壳的质量占低膨胀硅基复合负极材料质量的5
‑
15％。
[0008]一种低膨胀硅基复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]1)将硅粉在氢氟酸中浸泡2
‑
5h，固液分离，得多孔硅；
[0010]2)将步骤1)得到的多孔硅与硅烷偶联剂、碳纳米管在有机溶剂中混合均匀，然后进行碳化处理，得到复合材料A；所述碳化处理是在惰性气氛中于750
‑
800℃保温3
‑
5h；
[0011]3)将步骤2)得到的复合材料A、分散剂、固体电解质在有机溶剂中分散均匀，然后喷雾干燥，得到复合材料B；固体电解质为
[0012]4)将步骤3)得到的复合材料B在碳源混合气体中于700
‑
1100℃保温1
‑
6h，然后在惰性气氛下降温，即得；所述碳源混合气体由甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种与氨气按照体积比100:1
‑
10混合而成。
[0013]步骤1)中硅粉的粒径为100
‑
500nm。
[0014]步骤1)中氢氟酸的质量分数为1
‑
10％。
[0015]步骤2)中多孔硅、硅烷偶联剂、导电剂的质量比为100：1
‑
5：0.5
‑
2。
[0016]步骤2)中将多孔硅与硅烷偶联剂、碳纳米管在有机溶剂中混合均匀，是将多孔硅、碳纳米管加入硅烷偶联剂的有机溶剂溶液中。硅烷偶联剂的有机溶剂溶液的质量分数为1
‑
10％。
[0017]碳纳米管采用碳纳米管分散液加入。碳纳米管分散液的质量分数为1
‑
5％。
[0018]步骤2)中的硅烷偶联剂为3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、3
‑
(2
‑
氨基乙基氨基)丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基二乙氧基硅烷、氨基三甲氧基硅烷、N
‑
β
‑
(氨乙基)
‑
γ
‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的至少一种。
[0019]步骤2)中的有机溶剂A为甲苯、二甲苯、环己烷、四氯化碳、N
‑
甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0020]步骤3)中的复合材料A、分散剂、固体电解质的质量比为100:1
‑
3:5
‑
10
[0021]步骤3)中的有机溶剂B为异丙醇、乙醇、丁二醇、正丁醇、丙三醇中的至少一种。
[0022]固体电解质包括Li
x+5
La3Zr2‑
y
A
y
O
12
，其中，A为Al、Ta、Ti、V、Nb、Hf、Si、Ge、Sn中的至少一种，1.5＜x＜2，0＜y＜1.0。进一步的，固体电解质由Li
x+5
La3Zr2‑
y
A
y
O
12
与Li
0.5
La
0.5
TiO3以质量比6:5组成。
[0023]步骤3)中将复合材料A、分散剂、固体电解质在有机溶剂中分散均匀是将复合材料A、分散剂加入固体电解质的有机溶液中；固体电解质的有机溶液的质量分数为1
‑
10％。
[0024]步骤3)中分散剂为乙酸乙酯、乙酰丙酮、乙酰乙酸乙酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酰锂、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、脂肪酸聚乙二醇酯中的至少一种。
[0025]步骤4)中以1
‑
10℃/min升温至700
‑
1100℃保温。
[0026]惰性气氛为氩气气氛或氮气气氛。
[0027]本专利技术的低膨胀硅基复合负极材料采用多孔纳米硅并在其表面接枝羟基/羧基基团，并通过氨基硅烷偶联剂及其碳纳米管形成化学健连接的
‑
CO
‑
NH
‑
基团提升材料的结构稳定性，进而提高了碳化后形成的碳材料的网状结构的各向同性，束缚充放电过程中硅的膨胀。同时中间层的固体电解质具有锂离子导电率高的特性，提升材料的倍率性能。外壳包覆无定形碳后，最外层的碳包覆层能有效的提高硅基材料的导电性，避免纳米硅与电解液直接接触，减少副反应，同时能有效的缓解充放电过程中的体积效应，提升存储性能。
[0028]进一步的，固体电解质层可避免多孔纳米硅与电解液直接接触，减少副反应，同时能进一步有效的提高硅基材料的导电性和缓解充放电过程中的体积效应能。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例1制得的低膨胀硅基复合负极材料的SEM图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更容易理解，下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0031]实施例1
[0032]本实施例的低膨胀硅基复合负极材料包括内核以及包覆在内核上的外壳，外壳包
括由内向外依次设置的内包覆层、中包覆层、外包覆层，内包覆层为碳层，中包覆层为固体电解质层，外包覆层为无定型碳层，外壳的质量占本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低膨胀硅基复合负极材料，其特征在于，包括内核以及包覆在内核上的外壳，外壳包括由内向外依次设置的内包覆层、中包覆层、外包覆层，内包覆层为无定型碳层A，中包覆层为固体电解质层，外包覆层为无定型碳层B，外壳的质量占低膨胀硅基复合负极材料质量的5
‑
15％。2.一种低膨胀硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将硅粉在氢氟酸中浸泡2
‑
5h，固液分离，得多孔硅；2)将步骤1)得到的多孔硅与硅烷偶联剂、碳纳米管在有机溶剂A中混合均匀，然后进行碳化处理，得到复合材料A；所述碳化处理是在惰性气氛中于750
‑
800℃保温3
‑
5h；3)将步骤2)得到的复合材料A、分散剂、固体电解质在有机溶剂B中分散均匀，然后喷雾干燥，得到复合材料B；4)将步骤3)得到的复合材料B在碳源混合气体中于700
‑
1100℃保温1
‑
6h，然后在惰性气氛下降温，即得；所述碳源混合气体由甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种与氨气按照体积比100:1
‑
10混合而成。3.根据权利要求2所述的低膨胀硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中硅粉的粒径为100
‑
500nm。4.根据权利要求2所述的低膨胀硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中多孔硅、硅烷偶联剂、导电剂的质量比为100：1
‑
5：0.5
‑
2。5.根据权利要求4所述的低膨胀硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中的硅烷偶联剂为3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：田二强，和明刚，
申请(专利权)人：陕西君和聚源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：