硅基负极材料及其制备方法及包含它的锂离子电池技术

公开一种硅基负极材料及其制备方法及包含它的锂离子电池，所述方法包括：向硅基材料通入气相碳源或使其经液相或固相包覆有机物，在500℃

【技术实现步骤摘要】
硅基负极材料及其制备方法及包含它的锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及一种硅基负极材料，其所含硅晶粒粒径小且粒径分布范围窄，此外，还涉及该硅基负极材料的制备方法及用途。

技术介绍

[0002]电池动力新能源汽车的续航能力取决于电池的能量密度，随着消费者对汽车续航里程的要求不断提高，实现高能量密度成为动力电池近年来的发展方向。在传统石墨负极能量密度的潜力已得到充分挖掘的情况下，开发新型负极材料成为提高电池容量，解决能量密度问题，推动动力电池进一步发展的关键。
[0003]近年来的研究发现，在负极中引入氧化亚硅(SiO
x
)、硅(Si)等含硅材料可明显提高锂离子二次电池负极的克容量，硅基负极材料有望替代传统石墨负极实现能量密度的突破。然而，硅基负极材料在脱嵌锂过程中易于发生膨胀形变，反复脱嵌锂之后，出现材料体相粉化，导致初始SEI膜结构破坏，新界面产生，进而重复产生SEI膜，持续消耗活性锂，导致循环性能劣化。
[0004]目前，针对硅基负极材料存在的上述问题，研究方向主要集中于对硅基负极材料的基体施加包覆层进行保护，特别是对包覆层材料和包覆结构进行了广泛研究。例如，CN111146410披露了一种双层包覆硅基负极活性材料，第一包覆层包括钛元素，第二包覆层包括聚合物；CN109616654披露了一种C/Si/SiO
x
材料，内核SiO
x
颗粒包覆有复合层，复合层由碳纤维或碳片和Si颗粒组成，复合层之外还包覆有碳层；CN111048756披露了一种高电导率硅氧负极材料，硅基内核表面具有碳和快离子导体形成的包覆层，快离子导体在包覆层形成完整离子传输通道，直接连接所述硅基内核并延伸至包覆层表面。
[0005]以上研究均聚焦于通过包覆层材料的选择和包覆结构的设计来解决充放电过程中硅基体体积变化、SEI膜不稳定的问题，而未关注包覆过程中硅基体本身存在的缺陷，以及包覆温度与时间的控制对基体硅晶粒尺寸及颗粒粒度分布的影响。然而，在硅基负极材料脱嵌锂过程中，硅晶粒大小与颗粒体积膨胀收缩具有直接相关性，颗粒度过大会导致颗粒易碎，在反复脱嵌锂之后，产生严重的体相粉化，导致初始界面结构破坏和新鲜界面的产生，进而重复生成SEI膜，消耗活性锂，而颗粒度过小导致比表面积过大，初期成膜消耗过多锂导致可逆容量降低。此外，硅基负极材料中的硅晶粒如若粒度分布不均匀，则很难实现均匀、完整包覆，而包覆完整性和包覆层质量较差则会导致界面初期成膜疏松多孔，在循环和存储过程中，会持续成膜，消耗活性锂。
[0006]因而，仍需对硅基负极材料及其包覆工艺进行改进，在包覆过程中控制硅晶粒的粒径大小以及粒径分布，以更好地实现高质量、完整的包覆，进一步降低充放电过程中体积膨胀造成的不利影响，继而提高电池的电性能、循环性能及存储性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术人经过大量的试验，发现通过控制材料的粒度和粒度集中分布程度，可以
解决如上问题，并在此基础上完成本专利技术。
[0008]一方面，本专利技术提供一种硅基负极材料的制备方法，该方法包括：步骤(1)：向硅基材料通入气相碳源或使其经液相或固相包覆有机物，在500℃
‑
1200℃的温度下碳化处理0.1h
‑
100h，在所述硅基材料表面形成碳包覆层，制得包括硅基内核和碳包覆层的硅基负极材料；以及步骤(2)：对步骤(1)所得硅基负极材料进行分级处理，得到所述硅基负极材料，其中(D
90
‑
D
10
)/D
50
为0.5
‑
1.5，D
min
为0.01
‑
3 μm，D
10
为2
‑
5 μm，D
50
为3
‑
12 μm，D
90
为8
‑
30 μm，D
max
为30
‑
100 μm。
[0009]在根据本专利技术的方法的一种实施方式中，所述硅基材料选自氧化亚硅、SiO
x
(0＜x＜2)、纳米硅、硅碳、硅合金中的一种或多种，优选氧化亚硅和SiO
x
(0＜x＜2)。
[0010]在根据本专利技术的方法的一种实施方式中，所述气相碳源选自烷烃、烯烃、炔烃或含苯环类气相碳源中的一种或多种，优选乙炔和甲烷。
[0011]在根据本专利技术的方法的一种实施方式中，所述经液相或固相包覆的有机物选自沥青或树脂，优选沥青。
[0012]在根据本专利技术的方法的一种实施方式中，碳化处理温度优选为900
‑
910℃，碳化处理时间优选为8
‑
10h。
[0013]另一方面，本专利技术提供一种通过上述制备方法得到的硅基负极材料，其包括硅基内核和碳包覆层，其中所述硅基内核中硅晶粒尺寸d为0.1
‑
4nm，粒度分布集中度(D
90
‑
D
10
)/D
50
为0.5
‑
1.5，D
min
为0.01
‑
3 μm，D
10
为2
‑
5 μm，D
50
为3
‑
12 μm，D
90
为8
‑
30 μm，D
max
为30
‑
100 μm。
[0014]在根据本专利技术的一种实施方式中，所述硅基材料选自氧化亚硅、SiO
x
(0＜x＜2)、纳米硅、硅碳、硅合金中的一种或多种，优选氧化亚硅和SiO
x
(0＜x＜2)。
[0015]在根据本专利技术的硅基负极材料的一种实施方式中，所述碳包覆层的质量占比基于所述硅基负极材料的总重为0.1
‑
10 wt%。
[0016]在根据本专利技术的硅基负极材料的一种实施方式中，所述碳包覆层的石墨化度拉曼测试ID/IG比为0.3
‑
5。
[0017]在根据本专利技术的硅基负极材料的一种实施方式中，所述硅基负极材料的D
50
与硅晶粒尺寸d的比值D
50
/d为2600
‑
7000，D
50
与碳包覆层厚度h的比值D
50
/h为1
‑
1200。
[0018]在根据本专利技术的硅基负极材料的一种实施方式中，所述硅基负极材料的比表面积BET为0.8
‑
2.0m2/g。
[0019]在根据本专利技术的硅基负极材料的一种实施方式中，通过碱液测试，所述硅基负极材料48小时内的体积膨胀率小于150%。
[0020]另外，本专利技术还提供一种包括前述硅基负极材料的锂离子电池。
[0021]本专利技术通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料的制备方法，该方法包括：步骤(1)：向硅基材料通入气相碳源或使其经液相或固相包覆有机物，在500℃
‑
1200℃的温度下碳化处理0.1h
‑
100h，在所述硅基材料表面形成碳包覆层，制得包括硅基内核和碳包覆层的硅基负极材料；以及步骤(2)：对步骤(1)所得硅基负极材料进行分级处理，得到所述硅基负极材料，其中该硅基负极材料的(D
90
‑
D
10
)/D
50
为0.5
‑
1.5，D
10
为2.6
‑
5 μm，D
50
为3.5
‑
10μm，D
90
为4.4
‑
20μm。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅基材料选自氧化亚硅、SiO
x
(0＜x＜2)、纳米硅、硅碳、硅合金中的一种或多种，优选氧化亚硅和SiO
x
(0＜x＜2)。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述气相碳源选自烷烃、烯烃、炔烃或含苯环类气相碳源中的一种或多种，优选乙炔和甲烷。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述经液相或固相包覆的有机物选自沥青、煤焦油、酚醛树脂，优选沥青。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳化处理温度为900
‑
910℃，碳化处理时间为8
‑
10h。6.一种根据前述权利要求1~5中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玉荃，单旭意，李康，
申请(专利权)人：中创新航科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：