一种硅氧复合负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种硅氧复合负极材料及其制备方法和应用。所述硅氧复合负极材料包括二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料；所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(5

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧复合负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于负极材料
，具体涉及一种硅氧复合负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着3C产品的高速迭代和新能源汽车的快速发展，人们对高能量密度和长循环寿命的锂离子电池的需求与日俱增。石墨作为常用的负极材料之一，其理论克容量仅为372mAh/g，目前已难以满足人们对高能量密度锂离子电池的需求，进而不断推动负极材料向高理论比容量的方向发展。
[0003]其中，硅材料具有较高的理论克容量(～4200mAh/g)，是最有可能取代石墨的负极材料之一。但其在充放电过程中会产生较大的体积变化和巨大的应力，因此造成材料粉末化、SEI膜不稳定以及活性材料脱落等一系列问题，导致电池的首次库伦效率低和循环稳定性较差，限制了硅材料在锂离子电池中的进一步应用。
[0004]硅氧基材料(SiO
x
，0＜X＜2)作为一种高比容量的硅基负极材料，在初始嵌锂过程中，产生了电化学惰性的Li2O和Li4SiO4，它们虽然可以作为缓冲物质来缓解电极材料的体积变化，一定程度上能够提高电极材料的循环稳定性。然而，与硅负极材料类似，SiO
x
负极也存在离子/电子导电性差和体积膨胀率高的问题。
[0005]因此，在本领域中，期望开发一种结构稳定的硅氧基负极材料，其不仅具有较高的离子电导率和电子导电率，同时具有较小的体积膨胀率。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅氧复合负极材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的硅氧复合负极材料(简称为SiO
x.
MO
y
‑
Si
‑
C，其中C表示碳材料)不仅能够改善在充放电过程中材料的体积膨胀问题，还能提高材料的循环稳定性。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种硅氧复合负极材料，所述硅氧复合负极材料包括二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料；所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(5
‑
9):(0.5
‑
5):(0.1
‑
1.6)。
[0009]在本专利技术中，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(5
‑
9):(0.5
‑
5):(0.1
‑
1.6)，例如可以为5:0.5:0.1、5:2:0.5、6:3:0.8、7:4:0.5、9:5:1.6，出于篇幅的考虑，上述范围内的点值不再一一列举。
[0010]在本专利技术中，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物的化学式为SiO
x.
MO
y
，其中x的取值范围为1＜x＜2，y的取值范围为2≤y≤3，M选自Ti、Al、Sn或Zn中的至少一种。
[0011]本专利技术通过采用特定质量比例的二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料制备得到硅氧复合负极材料，能够将非活性SiO2相转化为活性SiO
x
。交联的碳材料和均匀混合的金属氧化物能够提供多维电子和离子导电网络，有效提升锂离子和电子的传输，并
且能够优化材料结构的稳定性。传统硅氧负极材料具有导电性差和体积膨胀较高的缺点，与其相比，本专利技术提供的硅氧复合负极材料实现了高比容、优良导电性能和良好机械结构稳定性的平衡。
[0012]作为本专利技术优选的技术方案，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(6
‑
9):(0.5
‑
3.7):(0.3
‑
1.6)，例如可以为6:0.5:0.3、8:1:0.3、8:1.5:0.5、8:2:0.7、8.5:1:0.5、8.5:2:0.6、9:2:7、9:3.7:1.6、，出于篇幅的考虑，上述范围内的点值不再一一列举。
[0013]在本专利技术中，通过调整三种组分的质量比，使得材料的比容量和机械稳定性得到最优发挥。若硅组分质量比过低，材料的容量就会偏低，无法发挥高容量优势，反之材料的膨胀率就会过高，其循环性能下降。
[0014]优选地，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物中二氧化硅和金属氧化物质量比为(4
‑
6):1，例如可以为4:1、5:1、6:1。
[0015]优选地，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物中金属氧化物包括二氧化钛、氧化铝、氧化锡或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合，例如可以为二氧化钛和氧化铝、氧化锡或氧化锌，出于篇幅的考虑，上述范围内的组合不再一一列举。
[0016]在本专利技术中，选择如上金属氧化物能够在材料中构建快速的锂离子传输通道。
[0017]优选地，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、Super P或乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合。
[0018]优选地，所述纳米硅的平均粒径为50
‑
80nm。例如可以为50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、。
[0019]在本专利技术中，通过控制纳米硅的粒径，使得纳米硅能够与二氧化硅均匀混合，粒径过小则会发生团聚，粒径过大则无法与二氧化硅产生有效接触，就无法得到想要的SiO
x
材料。
[0020]第二方面，本专利技术提供了一种制备根据第一方面所述的硅氧复合负极材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0021](1)将正硅酸四乙酯溶液和混合溶剂进行混合，并加入酸溶液，而后滴加弱碱溶液，调节体系的pH，得到二氧化硅溶液；
[0022](2)将金属有机化合物和溶剂进行混合，得到金属有机化合物溶液；
[0023](3)将步骤(1)得到的二氧化硅溶液和步骤(2)得到的金属有机化合物溶液进行混合，老化后得到二氧化硅和金属氧化物的复合物；
[0024](4)将步骤(3)得到的二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料按照配方量进行混合，得到所述硅氧复合负极材料。
[0025]在本专利技术中，采用液相共沉积法保证了合成材料的颗粒均一性，将特定质量比例的二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料制备得到硅氧复合负极材料，能够将非活性SiO2相转化为活性SiO
x
。交联的碳材料和均匀混合的金属氧化物能够提供多维电子和离子导电网络，有效提升锂离子和电子的传输，并且能够优化材料结构的稳定性。
[0026]优选地，步骤(1)中所述混合溶剂为乙醇和水的混合溶剂。
[0027]优选地，所述乙醇和水的体积比为(4
‑
6):(1
‑
3)，优选为4:1，例如可以为4:1、4:2、4:3、5:1、5:2、5:3、6:1、6:2、6:3。
[0028]优选地，步骤(1)中所述酸溶液包括柠檬酸溶液或醋酸溶液，优选为醋酸。
[0029]优选地，步骤(1)中所述酸溶液的质量浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅氧复合负极材料，其特征在于，所述硅氧复合负极材料包括二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料；所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(5
‑
9):(0.5
‑
5):(0.1
‑
1.6)。2.根据权利要求1所述的硅氧复合负极材料，其特征在于，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料的质量比为(6
‑
9):(0.5
‑
3.7):(0.3
‑
1.6)；优选地，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物中二氧化硅和金属氧化物质量比为(4
‑
6):1。3.根据权利要求1或2所述的硅氧复合负极材料，其特征在于，所述二氧化硅和金属氧化物的复合物中金属氧化物包括二氧化钛、氧化铝、氧化锡或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述碳材料包括碳纳米管、石墨烯、Super P或乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述纳米硅的平均粒径为50
‑
80nm。4.一种制备根据权利要求1
‑
3中任一项所述的硅氧复合负极材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将正硅酸四乙酯溶液和混合溶剂进行混合，并加入酸溶液，而后滴加弱碱溶液，调节体系的pH，得到二氧化硅溶液；(2)将金属有机化合物和溶剂进行混合，得到金属有机化合物溶液；(3)将步骤(1)得到的二氧化硅溶液和步骤(2)得到的金属有机化合物溶液进行混合，老化后得到二氧化硅和金属氧化物的复合物；(4)将步骤(3)得到的二氧化硅和金属氧化物的复合物、纳米硅和碳材料按照配方量进行混合，得到所述硅氧复合负极材料。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述混合溶剂为乙醇和水的混合溶剂；优选地，所述乙醇和水的体积比为(4
‑
6):(1
‑
3)，优选为4:1；优选地，步骤(1)中所述酸溶液包括柠檬酸溶液或醋酸溶液，优选为醋酸；优选地，步骤(1)中所述酸溶液的质量浓度为10
‑
15％，优选为10％；优选地，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏飞，马勇，郑军华，胡涛，周经纬，邬素月，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：