硅负极材料及其制备方法、负极以及锂离子电池技术

本发明专利技术涉及锂电领域，公开了硅负极材料及其制备方法、负极以及锂离子电池。硅负极材料的制备方法，包括：将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中；使苯酰胺基小分子与硅颗粒表面的含氧基团充分反应；使溶剂挥发，苯酰胺基小分子包覆在硅颗粒表面；苯酰胺基小分子选自2

【技术实现步骤摘要】
硅负极材料及其制备方法、负极以及锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂电
，具体而言，涉及硅负极材料及其制备方法、负极以及锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着电动汽车和能源市场的快速发展，人们锂离子电池储能系统的能量密度提出了越来越高的要求。在这种需求下，与其他负极材料相比，硅(Si)负极材料以其极高的比容量(4200mAhg
‑1)、合适的电压、丰富的资源和成本等突出优势而备受关注。然而，硅在嵌锂/脱锂过程中较大体积变化(～300％)，导致固体电解质界面(SEI)层的破裂，新暴露出的硅表面进一步与电解质发生发反应消耗大量的活性锂离子，最终导致Si负极快速失效严重限制了其市场化应用。
[0003]虽然添加剂有助于形成优异的钝化层以保护电极免受电解液的侵蚀，并且提高锂离子导电性，从而改善电池的电化学性能。但是仍然存在不可避免的缺点。(1)反应速度慢：添加剂只有扩散到电极表面时才起作用；而且添加剂浓度梯度产生的驱动力非常低，导致扩散的速度非常慢。(2)钝化层不均匀、不连续，钝化层的形成取决于电极表面活性点的位置和分布。(3)显著的副作用：在电池化成后，还剩余50％
‑
70％的成膜添加剂仍保留在电解液中，这会导致SEI膜的持续生长和内阻增加。(4)形成的钝化层韧性差：由电解质分解而自然生长的SEI膜主要是由Li2CO3、LiF和Li2O等无机组分组成，在电化学循环过程中，随着电极材料的体积膨胀收缩，容易发生破裂。
[0004]此外，硅负极材料在制备负极片过程中，一方面硅由于颗粒较小不好分散，极易发生团聚，颗粒之间粘结不稳定，容易从集流体表面脱落另一方面硅自身的体积膨胀较大，容易出现极片的粉化和断裂。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供硅负极材料的制备方法、硅负极材料、负极和锂离子电池。
[0007]本专利技术是这样实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种硅负极材料的制备方法，包括：
[0009]将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中；
[0010]使苯酰胺基小分子与硅颗粒表面的含氧基团充分反应；
[0011]使苯酰胺基小分子溶液中的溶剂挥发，苯酰胺基小分子包覆在硅颗粒表面；
[0012]苯酰胺基小分子选自2
‑
氨基苯甲酰胺、3
‑
亚硝基苯酰胺、2
‑
(三氟甲基)苯甲酰胺、2
‑
羟基
‑
N
‑
苯基苯酰胺、2
‑
氨基
‑5‑
硝基苯酰胺、N,N
‑
乙烯基双苯酰胺、2
‑
甲氧基
‑4‑
氨基苯酰胺、5
‑
乙酰基
‑2‑
羟基苯酰胺以及2
‑
硝基
‑4‑
三氟甲基苯甲酰胺中至少一种。
[0013]在可选的实施方式中，苯酰胺基小分子与含氧基团的硅颗粒材料投料的质量之比为0.01～0.2:1。
[0014]在可选的实施方式中，使苯酰胺基小分子溶液中的溶剂挥发的方式为：
[0015]将反应体系置于温度为50～100℃和保护气保护的条件下搅拌直至溶剂完全挥发；
[0016]优选地，保护气为氮气或惰性气体。
[0017]在可选的实施方式中，使苯酰胺基小分子溶液中的溶剂挥发之后还包括：将溶剂挥发后得到的固体物料置于温度为70～120℃的真空环境中烘烤5～12h。
[0018]在可选的实施方式中，将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中之前还包括：
[0019]将硅颗粒材料置于氧气氛围下，在100～500℃的温度下预氧化2～6h得到表面具有含氧基团的硅颗粒材料。
[0020]在可选的实施方式中，将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中之前还包括：
[0021]将苯酰胺小分子溶于溶剂中得到苯酰胺基小分子溶液，溶剂选自去离子水，乙醇、甲醇、丙酮、N,N
‑
二甲基甲酰胺、二甲亚砜、四氢呋喃和N
‑
甲基吡咯烷酮中至少一种；
[0022]优选地，苯酰胺基小分子溶液中苯酰胺基小分子的质量分数为2％～10％；
[0023]优选地，将苯酰胺小分子溶于溶剂中得到苯酰胺基小分子溶液的过程是在温度为30～100℃下进行。
[0024]在可选的实施方式中，使苯酰胺基小分子与硅颗粒表面的含氧基团充分反应的方式为：
[0025]将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中后超声0.5～2h，超声功率为600
‑
2400W。
[0026]第二方面，本专利技术提供一种硅负极材料，采用如前述实施方式任一项的制备方法制得。
[0027]第三方面，本专利技术提供一种负极，采用如前述实施方式的硅负极材料制得。
[0028]第四方面，本专利技术提供一种锂离子电池，包括如前述实施方式的负极。
[0029]本专利技术具有以下有益效果：
[0030]通过本专利技术提供的方法，能够在硅颗粒表面形成稳定的苯酰胺类小分子包覆层。该包覆层的形成具有以下优点：
[0031]苯酰胺类小分子含有的多个官能团可以通过氢键和化学键的形式与粘结剂聚乙烯醇中的羟基和硅颗粒表面的羟基或羧基结合，起到连接硅和粘结剂之间的“桥梁”作用，使硅与粘结剂紧密结合，抑制极片在制成过程中的粉化和断裂；
[0032]苯酰胺类小分子在水中的溶解性较低，也保证了包覆层能够在水系粘结剂中稳定存在，故硅表面形成的包覆层在匀浆涂布过程中可稳定存在于硅颗粒表面，因此，制成负极后，硅颗粒表面仍旧存在稳定的苯酰胺基小分子包覆层，该包覆层能有效阻碍硅颗粒和电解液直接接触，起到保护电极材料的作用；且苯酰胺基小分子含有的官能团在充放电过程中会参与SEI膜的形成，能够在充放电过程中减少电解液在电极界面的持续反应，有效抑制电池的阻抗上升和活性锂消耗，显著提高电池的循环性能；苯酰胺基小分子含有的官能团能显著提高锂离子的迁移率，改善电池的动力学性能。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]图1为对比例1和实施例1～3的首次充放电测试结果图；
[0035]图2为对比例1和实施例1～3的倍率性能测试；
[0036]图3为对比例1和实施例1～3的倍率性能测试后的EIS图；
[0037]图4为对比例1和实施例1～3的循环性能测试；
[0038]图5为用实施例1制得的负极极片的形貌图；
[0039]图6为用实施例11制得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括：将表面具有含氧基团的硅颗粒材料置于苯酰胺基小分子溶液中；使苯酰胺基小分子与硅颗粒表面的含氧基团充分反应；使所述苯酰胺基小分子溶液中的溶剂挥发，所述苯酰胺基小分子包覆在硅颗粒表面；所述苯酰胺基小分子选自2
‑
氨基苯甲酰胺、3
‑
亚硝基苯酰胺、2
‑
(三氟甲基)苯甲酰胺、2
‑
羟基
‑
N
‑
苯基苯酰胺、2
‑
氨基
‑5‑
硝基苯酰胺、N,N
‑
乙烯基双苯酰胺、2
‑
甲氧基
‑4‑
氨基苯酰胺、5
‑
乙酰基
‑2‑
羟基苯酰胺以及2
‑
硝基
‑4‑
三氟甲基苯甲酰胺中至少一种。2.根据权利要求1所述的硅负极材料的制备方法，其特征在于，所述苯酰胺基小分子与所述含氧基团的硅颗粒材料投料的质量之比为0.01～0.2:1。3.根据权利要求1所述的硅负极材料的制备方法，其特征在于，使所述苯酰胺基小分子溶液中的溶剂挥发的方式为：将反应体系置于温度为50～100℃和保护气保护的条件下搅拌直至溶剂完全挥发；优选地，所述保护气为氮气或惰性气体。4.根据权利要求1所述的硅负极材料的制备方法，其特征在于，使所...

【专利技术属性】
技术研发人员：衡帅，郑洪河，许彬，潘峰，朱力，杭辉，符朝桂，杨亦双，杨庆亨，
申请(专利权)人：江苏中兴派能电池有限公司，
类型：发明
国别省市：