含硅复合负极材料及其制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种含硅复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。所述含硅复合负极材料包括导电骨架，导电骨架具有多孔结构，且至少在所述多孔结构的孔壁表面上分布有硅；导电抗膨胀膜层，至少是结合在所述多孔结构的孔壁表面上，且覆盖所述硅。本发明专利技术含硅复合负极材料通过其所含的导电骨架和导电抗膨胀膜层之间起到了增效作用，赋予含硅复合负极材料高的导电性能和倍率性能，能够有效抗硅负极材料的体积膨胀，提高了锂离子的传输速率，且容量高，在充放电过程中的结构稳定性和循环性能好。本发明专利技术实施例锂离子电池倍率性好，具有优异的循环性能，寿命长，电化学性能稳定。电化学性能稳定。电化学性能稳定。

【技术实现步骤摘要】
含硅复合负极材料及其制备方法和锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种含硅复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着人们对环境保护和能源危机意识的增强，锂离子电池作为一种绿色环保的储能技术越来越受到人们的欢迎。锂离子电池由于能量密度高、无记忆效应，在许多领域得到广泛应用，如：电动汽车和可再生能源的储存。
[0003]随着电子产品广泛应用和电动汽车的蓬勃发展，锂离子电池的市场日益广阔，但同时对锂离子电池安全提出了更高的要求。然而，目前最先进的锂离子电池的性能仍然无法满足日益增长的需求。
[0004]当前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足市场对锂离子电池高容量密度的需求。先进的锂离子电池的发展要求开发高比容量负极材料来替代目前商用的石墨负极。
[0005]硅基负极材料的理论比容量高、嵌锂平台适宜，而且其储量丰富、工作电压适中(0.1
‑
0.5V vs Li/Li
+
)、理论比容量高达4200mA hg
‑1，比商业化石墨负极高10倍以上。因此，硅是最具有前景的下一代负极材料。
[0006]但是硅材料也存在不足，如在锂化过程中产生的巨大体积膨胀(约400％)可能导致材料内部的破裂，剧烈的体积变化所产生的内应力，容易导致电极粉化、剥落。同时也会在硅表面形成不稳定的SEI膜，从而导致其循环性能较差。
[0007]为了有效克服硅在充放电过程中的体积膨胀导致的不利影响，目前硅负极材料的研究方向主要有硅纳米颗粒、硅纳米管、硅纳米纤维、纳米硅碳复合材料、氧化亚硅材料、无定型硅合金、多孔硅氧材料等，在硅核体材料表面形成的连续碳膜可以提高硅基材料的导电性，抑制材料与电解液之间的副反应。尽管取得了一些进展，但是纳米结构的硅的制造成本较高，仍然无法实现硅负极的实际应用，而且有文献证明，在长循环过程中仍然会因为体积膨胀过大而被覆膜开裂，从而使得电接触减少，导电能力变差，从而导致循环性能依然不理想。硅材料的导电性差，这限制了硅负极的倍率性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种含硅复合负极材料及其制备方法，以解决现有硅基负极材料循环性能和导电性不理想的技术问题。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供一种负电极和含有负电极的锂离子电池，以解决现有含硅基负极的锂离子电池存在循环性能和倍率性不理想的技术问题。
[0010]为了实现上述专利技术目的，本专利技术的一方面，提供了一种含硅复合负极材料。含硅复合负极材料包括：
[0011]导电骨架，导电骨架具有多孔结构，且至少在多孔结构的孔壁表面上分布有硅；
[0012]导电抗膨胀膜层，至少是结合在多孔结构的孔壁表面上，且覆盖硅。
[0013]本专利技术含硅复合负极材料采用导电骨架负载硅负极材料，从而含硅复合负极材料中构成导电网络结构，赋予含硅复合负极材料高的导电率，从而赋予含硅复合负极材料高的倍率性。所含的硅赋予含硅复合负极材料高容量。覆盖于硅负极材料的导电抗膨胀膜层一方面由于导电性能，其与导电骨架起到增效作用，完善并提高含硅复合负极材料所含的导电网络结构，提高含硅复合负极材料的导电性能和倍率性能；另一方面，其覆盖硅负极材料能够有效抗硅负极材料的体积膨胀，提高了硅负极材料循环的稳定性，而且该导电抗膨胀膜层提高了锂离子的嵌入与脱出，提高了锂离子的传输速率。而且，该导电抗膨胀膜层与导电骨架所含多孔结构之间起到增效作用，显著提高硅负极材料循环的稳定性。因此，本专利技术含硅复合负极材料在充放电过程中的结构稳定性和循环性能高。
[0014]优选地，在导电骨架的骨架材料之内还分散有硅。在骨架材料中进一步分散硅负极材料，从而提高硅的含量从而提高含硅复合负极材料的容量。
[0015]优选地，导电抗膨胀膜层的材料包括无定型导电无机材料、导电片层材料中的至少一种。通过将导电抗膨胀膜层选择为如无定型材料等，这样提高了导电抗膨胀膜层的韧性等机械性能，提高导电抗膨胀膜层抗硅负极材料充放电过程体积的膨胀以提高含硅复合负极材料的结构稳定性和循环性能以及锂离子的传输速率。
[0016]优选地，导电抗膨胀膜层的厚度为3
‑
5nm。通过对导电抗膨胀膜层的厚度调节和优化，进一步提高了导电抗膨胀膜层的韧性等机械性能，提高导电抗膨胀膜层抗硅负极材料充放电过程体积的膨胀以提高含硅复合负极材料的结构稳定性和循环性能以及锂离子传输速率。
[0017]优选地，导电抗膨胀膜层的材料包括TiO2、无定型碳、石墨烯中的至少一种。通过对导电抗膨胀膜层材料的选择，提高导电抗膨胀膜层的导电性和成膜的韧性等抗体积膨胀力学性能，从而提高含硅负极材料的结构稳定性、倍率性和循环性能以及锂离子传输速率。
[0018]优选地，导电抗膨胀膜层包覆整个导电骨架，且覆盖分布在导电骨架表面上的硅。通过将导电抗膨胀膜层包覆整个导电骨架和硅，提高导电抗膨胀膜层与导电骨架之间导电网络结构，增强导电增效作用，并提高含硅复合负极材料的结构稳定性、倍率性和循环性能。
[0019]优选地，导电骨架上的多孔结构所含孔的分布密度为0.3
‑
1cm3/g。通过对多孔结构所含孔的密度控制和优化，提高硅负极材料的负载含量，从而提高含硅复合负极材料的比容量。
[0020]优选地，多孔结构所含孔的直径为大于0，小于或等于0.5μm。通过对多孔结构所含孔的孔径控制和优化，提高硅负极材料的含量和供硅负极材料膨胀的缓冲空间，在提高含硅复合负极材料的容量密度的同时，提高含硅复合负极材料结构的稳定性，从而提高循环性能。
[0021]优选地，硅在含硅复合负极材料中的质量百分比含量为30
‑
50％。通过对硅负极材料含量的控制和优化，提高含硅复合负极材料的容量密度。
[0022]优选地，导电骨架的材料为金属单质、合金、碳骨架材料中的任一种。通过对于导电骨架材料的选择，提高导电骨架的骨架力学性能，提高导电骨架的结构稳定性和所含多孔结构的稳定以及导电网络结构的稳定性，从而提高含硅负极材料的结构稳定性、倍率性
和循环性能。
[0023]本专利技术的另一方面，含硅复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0024]提供具有多孔结构的导电骨架，其中，至少在多孔结构的孔壁表面上分布有硅；
[0025]在导电骨架上形成导电抗膨胀膜层，并使得导电抗膨胀膜层是至少结合在多孔结构的孔壁表面上，且覆盖硅。
[0026]本专利技术含硅复合负极材料的制备方法将硅至少负载在导电骨架的多孔结构所含的孔壁表面上，而且在硅表面覆盖导电抗膨胀膜层，这样使得制备的含硅复合负极材料所含的导电骨架与导电抗膨胀膜层之间能够起到增效作用，形成导电网络，赋予含硅复合负极材料高的导电性能，而且能够有效抵抗硅负极材料的在充放电过程中的体积膨胀，从而赋予本专利技术含硅复合负极材料在充放电过程中的结构稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含硅复合负极材料，包括：导电骨架，所述导电骨架具有多孔结构，且至少在所述多孔结构的孔壁表面上分布有硅；导电抗膨胀膜层，至少是结合在所述多孔结构的孔壁表面上，且覆盖所述硅。2.根据权利要求1所述的含硅复合负极材料，其特征在于：在所述导电骨架的骨架材料之内还分散有硅。3.根据权利要求1所述的含硅复合负极材料，其特征在于：所述导电抗膨胀膜层的材料包括无定型导电无机材料、导电片层材料中的至少一种；和/或所述导电抗膨胀膜层的厚度为3
‑
5nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的含硅复合负极材料，其特征在于：所述导电抗膨胀膜层的材料包括TiO2、无定型碳、石墨烯中的至少一种；和/或所述导电抗膨胀膜层包覆整个所述导电骨架，且覆盖分布在所述导电骨架上的所述硅。5.根据权利要求1
‑
3任一项所述的含硅复合负极材料，其特征在于：所述多孔结构所含孔的分布密度为0.3
‑
1cm3/g；和/或所述多孔结构所含孔的直径为大于0，小于或等于0.5μm；和/或所述导电骨架的材料包括金属单质、合金、碳骨架材料中的任一种；和/或所述硅在所述含硅复合负极材料中的质量百分比含量为30
‑
50％。6.一种含硅复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：提供具有多孔结构的导电骨架，其中，至少在所述多孔结构的孔壁表面上分布有硅；在所述导电骨架上形成导电抗膨胀膜层，并使得所述导电抗膨胀膜层是至少结合在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯宁，
申请(专利权)人：恒大新能源技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：