一种硅基负极活性材料、负极片和锂离子电池制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基负极活性材料、负极片和锂离子电池，该硅基负极活性材料包括硅基内核和依次包覆于硅基内核表面的离子吸附层和导电层；离子吸附层和导电层的厚度分别为50～500nm、20～200nm，且两者的厚度之比大于或等于2。其中，在硅基内核和导电层之间设置离子吸附层，可将材料表面聚集的锂离子吸入离子吸附层，减少离子在负极硅基材料表面富集，缓解锂离子在负极片表面析出，同时可缓解硅基内核膨胀压力，提升整体材料结构稳定性；通过对离子吸附层和导电层的厚度及厚度比例的控制，可平衡电池中的电子传导和离子传导，以使锂离子容易嵌入材料，缓解析锂，进而该硅基负极活性材料可改善锂离子电池的析锂窗口和循环性能。材料可改善锂离子电池的析锂窗口和循环性能。材料可改善锂离子电池的析锂窗口和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基负极活性材料、负极片和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及电池
，尤其是涉及一种硅基负极活性材料、负极片和锂离子电池。

技术介绍

[0002]在现有的二次电池体系中，锂离子电池以其工作电压高、比容量大、放电平稳、体积小、重量轻、绿色环保等优势广泛应用于数码产品和动力电源中，但随着技术的不断发展，对锂离子电池提出了更高的要求，负极材料作为影响锂离子电池性能的重要因素，也受到了越来越广泛的研究。
[0003]石墨材料在电池的充放电过程中具有体积膨胀系数小、库伦效率高等优点，是目前实际应用较多的锂离子电池负极材料，但其最大理论容量较低(只有372mAh/g)，限制了锂离子电池的发展。在非碳负极材料中，硅材料具备商业化石墨负极10左右的高理论嵌锂容量(4200mAh/g)，是较具前景的负极材料，也被越来越多的应用到商业锂离子电池中。但硅材料的电子和离子传导能力较差，在快充领域遇到了较大的挑战，很难满足大倍率快充，在大倍率快充下易出现析锂导致循环失效的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种硅基负极活性材料、负极片和锂离子电池。
[0005]本专利技术的第一方面，提出了一种硅基负极活性材料，包括：
[0006]硅基内核；
[0007]离子吸附层，包覆于所述硅基内核的表面，所述离子吸附层的厚度为50～500nm；
[0008]导电层，包覆于所述离子吸附层上背离所述硅基内核的表面，所述导电层的厚度为20～200nm，且所述离子吸附层和所述导电层的厚度之比大于或等于2。
[0009]根据本专利技术实施例硅基负极活性材料，至少具有以下有益效果：该硅基负极活性材料中硅基内核的外表面包覆设置离子吸附层，并在离子吸附层的表面包覆设置导电层。其中，通过在硅基内核表面包覆离子吸附层，一方面可将材料表面聚集的离子吸入离子吸附层，减少离子在负极硅基材料的表面富集，缓解锂离子在负极片表面析出，从而提升硅负极材料的快充能力，使其在大倍率下依然可保持较好的析锂窗口，另一方面也可阻挡硅基内核与电解液接触发生副反应，同时离子吸附层的设置可产生一定的束缚强度，以缓解硅膨胀的压力，使整体材料结构保持稳定，进而可降低电池的膨胀率；而在离子吸附层的外表面进一步包覆导电层，可提升电子传导能力。另外，由于离子吸附层影响锂离子的吸收量和速率，若离子吸附层太厚，则锂离子吸附后存在离子吸附层内，不能很好地嵌入硅基内核中，太薄则吸收的锂离子量太少，起不到吸附的效果；而导电层可起到传导电子的作用，若导电层太薄，电子传递慢，不利于形成电势，而太厚则会阻碍离子的穿越，由此，通过离子吸附层和导电层的厚度及其比例控制，可平衡电池中的电子传导和离子传导，以使锂离子容
易嵌入材料，缓解析锂情况的发生。由此，通过以上设置，该硅基负极活性材料可改善锂离子电池的析锂窗口和循环性能。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，所述离子吸附层的材质选自纳米纤维素、纳米纤维素衍生物、金属有机骨架纳米复合材料中的至少一种。金属有机骨架纳米复合材料中所含金属可为铝、铁、铜、铬、锌、锆中的至少一种。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，所述纳米纤维素衍生物包括纳米酯化纤维素、纳米醚化纤维素和其他纳米接枝纤维素中的至少一种。其中，纳米酯化纤维素可为纤维素硝酸酯、纤维素黄原酸酯、纤维素硫酸酯或其他有机纤维素酯；纳米醚化纤维素可为羧甲基纤维素、甲基纤维素、羧乙基纤维素或其他纤维素醚；纳米接枝纤维素可为丙烯酸纤维素、丙烯酰胺纤维素、乙二胺纤维素、琥珀酸酐纤维素、羟胺纤维素、丙烯腈纤维素等。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述硅基内核选自硅氧颗粒、预理化硅氧颗粒、硅纳米线、硅碳颗粒中的至少一种。
[0013]以硅基材料作为内核制备硅基活性材料，进而用于锂离子电池的负极片制备，可提升电池体系的能量密度。在本专利技术的一些实施方式中，所述导电层的材质为残炭。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述离子吸附层的厚度为200～500nm；优选地，所述导电层的厚度为50～100nm。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述离子吸附层和所述导电层的厚度之比大于或等于3；优选地，所述离子吸附层和所述导电层的厚度之比大于或等于4，且小于或等于6。
[0016]本申请对于以上硅基负极活性材料的具体制备方法不作限定，可实现以上在硅基内核表面包覆离子吸附层，以及在离子吸附层表面包覆导电层的方式均可。例如，可通过以下方式在硅基内核表面包覆设置离子吸附层：具体可先配制离子吸附材料溶液，而后将硅基内核分散于离子吸附材料溶液中得到分散液，再进行干燥使离子吸附材料固化包覆在硅基内核的表面形成离子吸附层；离子吸附层的厚度可通过控制离子吸附材料溶液的浓度进行控制。例如，可将纳米纤维素溶于水中，然后加入少量的NaClO和NaOH控制pH值来制备出改性纳米纤维素溶液，然后将硅基内核分散于含有特定浓度的改性纳米纤维素溶液中得到分散液，再在高温下进行烘干，将纳米纤维素衍生物进行固化到硅基内核的表面，得到离子吸附层；其中，离子吸附层可通过控制改性纳米纤维素溶液中的改性纳米纤维素浓度来控制包覆厚度，类似于采用浓度为0.5wt％的改性纳米纤维素溶液制备厚度为200nm的离子吸附层，采用浓度为0.25wt％的改性纳米纤维素溶液制备厚度为100nm的离子吸附层，采用浓度为0.75wt％的改性纳米纤维素溶液制备厚度为300nm的离子吸附层。另外，可通过气相沉积法在离子吸附层的表面包覆设置导电层，例如具体可采用烷烃在800～900℃下通过气相沉积在离子吸附层表面制备导电层，其中可通过烷烃的流量和气相沉积温度控制导电层厚度。
[0017]本专利技术的第二方面，提出了一种负极片，包括负极集流体和覆设于所述负极集流体表面的负极活性材料层，所述负极活性材料层的制备材料包括负极活性材料，所述负极活性材料包括本专利技术第一方面所提出的任一种硅基负极活性材料。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述硅基负极活性材料占所述负极活性材料的总质量的3～20％；优选地，所述硅基负极活性材料占所述负极活性材料的总质量的3～10％；进一步优选地，所述硅基负极活性材料占负极活性材料的总质量的3～7％。
[0019]本专利技术的第三方面，提出了一种锂离子电池，其包括本专利技术第二方面所提出的负极片。该锂离子电池具体可包括正极片、负极片、隔膜和电解液，隔膜设于正极片和负极片之间。
[0020]其中，正极片包括正极集流体和覆设于正极集流体表面的正极活性材料层，正极活性材料层的材质可包括正极活性材料、导电剂和粘结剂，正极活性材料可为LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNi
1/3
Co
1/3
Mn
1/3
O2、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O2、LiN本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极活性材料，其特征在于，包括：硅基内核；离子吸附层，包覆于所述硅基内核的表面，所述离子吸附层的厚度为50～500nm；导电层，包覆于所述离子吸附层上背离所述硅基内核的表面，所述导电层的厚度为20～200nm，且所述离子吸附层和所述导电层的厚度之比大于或等于2。2.根据权利要求1所述的硅基负极活性材料，其特征在于，所述离子吸附层的材质选自纳米纤维素、纳米纤维素衍生物、金属有机骨架纳米复合材料中的至少一种。3.根据权利要求2所述的硅基负极活性材料，其特征在于，所述纳米纤维素衍生物包括纳米酯化纤维素、纳米醚化纤维素和其他纳米接枝纤维素中的至少一种。4.根据权利要求1所述的硅基负极活性材料，其特征在于，所述硅基内核选自硅氧颗粒、预理化硅氧颗粒、硅纳米线、硅碳颗粒中的至少一种。5.根据权利要求1所述的硅基负极活性材料，其特征在于，所述导电层的材质为残炭。...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云雷，程琪，李永芳，刘关心，于子龙，
申请(专利权)人：惠州锂威新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：