复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池负极极片、锂离子电池技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。该复合材料包括基体，以及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学组成为MgSiO3，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。本发明专利技术提供的复合材料兼具低厚度膨胀系数和高比容量的特点，同时，将该复合材料用于锂离子电池中，能够有效提高锂离子电池的首次库伦效率和结构稳定性，并降低了电池的电化学膨胀。低了电池的电化学膨胀。低了电池的电化学膨胀。

【技术实现步骤摘要】
复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池负极极片、锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着消费电子、电动交通工具和电化学储能行业的快速发展，锂离子电池技术也不断更新迭代，高比能锂离子电池也渐渐成为潮流，为了进一步提高锂离子电池的能量密度，需要以电池材料体系为基础重新设计。
[0003]负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，影响着锂离子电池的比容量及循环寿命，目前通用的石墨类负极材料因材料本身的极限容量限制(理论比容量为372mAh/g)，不能满足高比能量密度的需求。在此背景下，硅负极因其具有超高的比容量(理论比容量为4200mAh/g)，受到了广泛关注，国内外均对其投入的大量研究，是目前最有可能被推广应用于电动汽车进而推动电动汽车行业发展的负极材料。
[0004]CN111164803A公开一种用于二次电池的硅基负极材料，包括：内核、第一壳层和第二壳层，其中，内核由Si粒子和硅氧化物SiO
x1
构成，0＜x1＜2；第一壳层包括通式MySiO
z
的化合物(例如，MgSiO3)以及单质C材料，M选自Li、Na、Mg、Al、Fe和Ca中的至少一种；第二壳层包括碳膜层。
[0005]CN112310355A公开了一种负极活性材料，包括核结构及包覆于核结构至少一部分外表面的聚合物改性包覆层，其中，核结构包括硅基材料和/或锡基材料。
[0006]CN110556529A公开了一种具有多层核壳结构的负极复合材料，负极复合材料有多层核壳结构，其中，负极复合材料的内核为氧化亚硅颗粒，中间层为金属掺杂氧化硅复合材料，最外层为连续的碳颗粒或者碳薄膜构成的碳包覆层，金属掺杂氧化硅复合材料为金属掺杂元素的氧化物和/或复合氧化物与氧化亚硅构成的复合材料。
[0007]上述方法采用纳米硅碳和氧化亚硅材料作为硅基材料，由于比容量和首次效率较低，均未真正发挥硅的高比容量特性；此外，纳米硅碳因较高的成本以及实际应用中面临的碳包覆、浆料分散等问题仍未规模化使用；氧化亚硅材料由于良好的循环性能被开发和量产，但由于首次库伦效率低，还需进一步通过预锂或者预镁方式来提高材料的首次库伦效率。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术的硅基材料在电池脱嵌锂的过程中存在低比容量和高体积膨胀；以及含有该硅基材料的锂离子电池存在首次库伦效率低、结构稳定差和电化学膨胀高等问题，提供了一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种复合材料，该复合材料包括基体，以
及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学组成为MgSiO3，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。
[0010]本专利技术第二方面提供一种复合材料的制备方法，该方法包括：将单质硅和单质锡进行真空烧结，得到硅锡合金；将所述硅锡合金作为基体依次进行表层氧化反应和浅层镁化反应，以在所述基体的表面形成化学组成为MgSiO3的金属掺杂层，得到中间产物；将所述中间产物进行碳包覆，以在所述金属掺杂层的表面形成由连续碳颗粒构成的碳包覆层，得到复合材料。
[0011]本专利技术第三方面提供一种第一方面提供的复合材料，或者，第二方面提供的方法制得的复合材料在锂离子电池、电动汽车、电工工具或电化学储能中的应用。
[0012]本专利技术第四方面提供一种锂离子电池负极极片，该负极极片含有第一方面提供的复合材料，或者，第二方面提供的方法制得的复合材料。
[0013]本专利技术第五方面提供一种锂离子电池，该锂离子电池含有第四方面提供的锂离子电池负极极片。
[0014]相比现有技术，本专利技术具有以下优势：
[0015](1)本专利技术提供的具有多层核壳结构的复合材料，以硅锡合金作为基体，并依次包裹金属掺杂层和碳包覆层，能够有效抑制复合材料在电池脱嵌锂的过程中的高体积膨胀问题，使得复合材料兼具低厚度膨胀系数和高比容量的特点，尤其是通过限定复合材料中各组分的含量及物性参数，更有利于提高复合材料的性能；
[0016](2)本专利技术提供的复合材料的制备方法具有方法简单、环境友好、成本低廉的特点，易于工业化生产设计；同时，该方法解决了现有硅基材料由于碳包覆、浆料分散等商业化应用问题；
[0017](3)本专利技术提供的复合材料在锂离子电池、电动汽车、电工工具或电化学储能等领域中具有广阔的应用前景；
[0018](4)将本专利技术提供的复合材料用于锂离子电池中，能够有效提高锂离子电池的首次库伦效率和结构稳定性，并降低了电池的电化学膨胀。
附图说明
[0019]图1是本专利技术提供的一种复合材料的制备示意图；
[0020]图2是由实施例1
‑
2和对比例1提供的复合材料制得的扣式电池在电流0.05C倍率，电压区间为0.005
‑
1.5V条件下的首次充放电曲线图；
[0021]图3是由实施例1
‑
2提供的复合材料制得的扣式电池的循环曲线图。
具体实施方式
[0022]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0023]本专利技术第一方面提供一种复合材料，该复合材料包括基体，以及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学
组成为MgSiO3，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。
[0024]本专利技术的专利技术人研究发现：以碳包覆层作为复合材料的第一缓冲层，既能给整体结构提供一个相对柔性的结构保护，又能保证整个材料颗粒具有良好的电子电导和离子电导；金属掺杂层作为复合材料的第二缓冲层，既能给基体提供一个刚性的结构保护，又能保证锂离子的快速传输。同时，以硅锡合金作为硅基材料，在保证硅基材料高比容量的前提下，解决了现有硅基材料需要通过预锂或预镁方式来提高材料的首次库伦效率低，使得本专利技术提供的复合材料具有低体积膨胀和高比容量，有效提高了含有该复合材料的锂离子电池的首次库伦效率和结构稳定性，并降低了电池的电化学膨胀。
[0025]在本专利技术中，没有特殊情况说明下，所述复合材料具有多层核壳结构，内核为硅锡合金，中间层为化学组成为MgSiO3的金属掺杂层，最外层为由连续碳颗粒构成的碳包覆层。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，优选地，所述基体的含量为85
‑
98wt％，优选为92
‑
97wt％；所述金属掺杂层的含量为1
‑
10wt％，优选为2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括基体，以及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学组成为MgSiO3，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，基于所述复合材料的总重量，所述基体的含量为85
‑
98wt％，优选为92
‑
97wt％；所述金属掺杂层的含量为1
‑
10wt％，优选为2
‑
5wt％；所述碳包覆层的含量为1
‑
5wt％，优选为1
‑
3wt％。3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其中，所述基体的平均粒径D50为1
‑
10μm，优选为3
‑
7μm；优选地，所述金属掺杂层的厚度为1
‑
50nm，优选为5
‑
25nm；优选地，所述碳包覆层的厚度为2
‑
30nm，优选为5
‑
15nm。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的复合材料，其中，所述硅锡合金中锡和硅的重量比为1：1
‑
5，优选为1：2
‑
4。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的复合材料，其中，所述复合材料的比容量≥2800mAh/g，优选为3000
‑
3500mAh/g；优选地，所述复合材料的厚度膨胀系数≤150％，优选为90
‑
120％。6.一种复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将单质硅和单质锡进行真空烧结，得到硅锡合金；将所述硅锡合金作为基体依次进行表层氧化反应和浅层镁化反应，以在所述基体的表面形成化学组成为MgSiO3的金属掺杂层，得到中间产物；将所述中间产物进行碳包覆，以在所述金属掺杂层的表面形成由连续碳颗粒构成的碳包覆层，得到复合材料。7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法包括以下步骤：(1)将所述单质硅和单质锡进行所述真空烧结，至所述单质锡完全反应，冷却，得到所述硅锡合金；(2)在含氧气体氛围中，将所述硅锡合金作为所述基体进行所述表层氧化反应，以在所述基体的表面生成SiO2，得到表层氧化反应产物；(3)在惰性气体气氛中，将所述表层氧化反应产物和镁化剂混合并进行所述浅层镁化反应，以在所述基体的表面形成所述金属掺杂层，得到所述中间产物；(4)将所述中间产物和碳源进行所述碳包覆，以在所述金属掺杂层的表面形成所述碳包覆层，得到所述复合材料。8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(1)中，所述单质锡和单质硅的重量比为1：1
‑
5，优选为1：2
‑
4；优选地，所述单质硅的平均粒径D50为0.1
‑
10μm，优选为0.5
‑
7μm；最大粒径Dmax＜20μm，优选为12
‑
15μm；优选地，所述单质硅中硅含量≥98w...

【专利技术属性】
技术研发人员：许家齐，李丹荣，李文俊，俞会根，
申请(专利权)人：北京卫蓝新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：