一种硅碳材料、负极片和电池制造技术

本发明专利技术涉及电池技术领域，具体涉及一种硅碳材料包括该硅碳材料的负极片和电池。硅碳材料包括作为骨架结构的多孔碳和填充于多孔碳的孔隙中的填充物，在硅碳材料的里层中的填充物包括硅，在硅碳材料的表层中的填充物包括含有F、P、S元素的材料。本发明专利技术的硅碳材料，兼具克容量高、表面结构和电化学稳定性高的特性，能够降低界面副反应的发生量，极大地改善循环充放电性能；包括本发明专利技术的硅碳材料的负极片，具有高温循环厚度增长慢的特性；包括本发明专利技术的负极片的电池，具有高温循环平均库伦效率高、厚度增长慢的特性。度增长慢的特性。度增长慢的特性。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳材料、负极片和电池


[0001]本专利技术涉及电池
，具体涉及一种硅碳材料、包括该硅碳材料的负极片和电池。

技术介绍

[0002]硅的理论克容量约为石墨的十倍，在下一代高能量密度锂离子电池应用中具有显著优势。但硅在嵌、脱锂过程中体积变化大，存在于其表面起保护作用的固态电解质中间相(SEI)膜极易破裂，导致副反应持续发生，循环充放电的容量保持率衰减快、厚度膨胀率增长大。这种现象在高温循环时尤其严重。
[0003]目前一般采用包覆的方式以增强硅基材料的界面稳定性，包覆层的组成材料包括无定形碳、人造SEI膜包覆、聚合物包覆、金属氧化物等。但硅基材料体积变化率一般大于50％，这些包覆层结构难以维持长久的完整性，硅基材料的高温循环性能无法满足应用要求。
[0004]因此，专利技术一种具有高界面稳定性的硅碳材料对于提升高能量密度电池的高温循环性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种硅碳材料、包括该硅碳材料的负极片和电池。本专利技术的硅碳材料，兼具克容量高、表面结构和电化学稳定性高的特性，能够降低界面副反应的发生量，极大地改善循环充放电性能；包括本专利技术的硅碳材料的负极片，具有高温循环厚度增长慢的特性；包括本专利技术的负极片的电池，具有高温循环的平均库伦效率高、厚度增长慢的特性。
[0006]本专利技术的专利技术人发现，通过提高硅碳材料的界面稳定性，能够提高负极片和电池的循环稳定性。
[0007]本专利技术的专利技术人通过进一步深入研究后发现，为了提高硅碳材料的界面稳定性，可以通过构建特定结构来提高硅碳材料的界面结构稳定性，并且引入特定元素来提高硅碳材料的界面电化学稳定性，从而减少硅碳材料界面副反应的发生量，降低负极片的高温循环厚度增长速度，提高电池的高温循环库伦效率并降低厚度增长速度。本专利技术的专利技术人经过大量深入研究筛选出了能够提高硅碳材料界面电化学稳定性的特定元素。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种硅碳材料，所述硅碳材料包括作为骨架结构的多孔碳和填充于所述多孔碳的孔隙中的填充物，在所述硅碳材料的里层中的所述填充物为硅，在所述硅碳材料的表层中的所述填充物包括含有F、P、S元素的材料。
[0009]本专利技术第二方面提供了一种负极片，所述负极片包括本专利技术第一方面所述的硅碳材料。
[0010]在一实例中，所述负极片包括负极集流体和活性物质层，所述活性物质层包括所述硅碳材料。
[0011]本专利技术第三方面提供了一种电池，该电池包括本专利技术第一方面所述的硅碳材料和/或本专利技术第二方面所述的负极片。
[0012]通过上述技术方案，本专利技术与现有技术相比至少具有以下优势：
[0013](1)本专利技术的硅碳材料克容量高且界面结构稳定性高；
[0014](2)本专利技术的硅碳材料克容量高且界面电化学稳定性高；
[0015](3)本专利技术的硅碳材料克容量高且界面副反应发生量少；
[0016](4)本专利技术的负极片在高温循环时的厚度增长慢；
[0017](5)本专利技术的电池在高温循环时的平均库伦效率高；
[0018](6)本专利技术的电池在高温循环时的厚度增长慢。
[0019]本专利技术的其它特点和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0020]图1所示为本专利技术的所述硅碳材料的一部分区域的结构示意图。
[0021]图2所示为本专利技术的所述硅碳材料的结构示意图。
[0022]图3所示为本专利技术一实施例制备得到的硅碳材料的SEM截面示意图。
具体实施方式
[0023]以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0024]本专利技术第一方面提供了一种硅碳材料，所述硅碳材料包括作为骨架结构的多孔碳和填充于所述多孔碳的孔隙中的填充物，在所述硅碳材料的里层中的所述填充物包括硅，在所述硅碳材料的表层中的所述填充物包括含有F、P、S元素的材料。
[0025]所述的硅碳材料可以为硅碳复合材料。
[0026]现有技术中通过包覆的方式提高硅基材料的界面稳定性，但其包覆层的机械强度低，且与被包覆物之间的结合力弱，容易破裂或脱落，从而使副反应增加。
[0027]本专利技术的专利技术人发现，在多孔碳骨架的表层区域的孔隙中填充特定的填充物，得益于多孔碳骨架的拘束作用和填充物对电解液的隔绝作用，可以提高硅碳材料在嵌锂、脱锂过程中的界面结构和电化学稳定性，不会出现因硅基材料膨胀过大导致表层破裂或表层区域的填充物脱落的现象，避免硅组分暴露在电解液中，从而减少硅与电解液之间副反应的发生量，降低负极片在高温循环过程中的厚度增长速度，提高电池在高温循环过程中的平均库伦效率并降低厚度增长速度。
[0028]在本专利技术中，通过采用上述的方式提高碳硅复合材料的界面结构和电化学稳定性，已经能够使碳硅复合材料实现比现有技术更好的稳定性。为了进一步提高效果，可以对其中一个或多个技术特征做进一步优选。
[0029]示例地，如图1所示，所述硅碳材料以多孔碳11作为骨架结构，硅作为填充物填充于所述多孔碳11的孔隙的里层12中，含有F、P、S元素的材料作为填充物填充于所述多孔碳11的孔隙的外层13中。从图1中可以看出，在所述硅碳材料中，硅位于含有F、P、S元素的材料的里层。因此，如图2和图3所示，所述硅碳材料(2、3)具有核壳结构，所述核壳结构包括壳层(22、32)和核芯(21、31)，所述壳层包括多孔碳以及分布在多孔碳孔隙中的含有F、P、S元素
的材料，所述核芯包括多孔碳以及分布在多孔碳孔隙中的硅。
[0030]其中，图3为本专利技术一实施例制备得到的硅碳材料的SEM截面示意图。其测试方法为使用Ar离子研磨方法切开硅碳材料，获得硅碳材料的截面，使用扫描电子显微镜(SEM)，在背散射电子模式下观察硅碳材料的截面。
[0031]作为骨架结构的多孔碳，可以是一个多孔碳形成的骨架结构也可以是多个多孔碳(即不连续的，例如分层的)形成的骨架结构。以多孔碳作为骨架结构，能够提高硅碳材料的界面力学强度，抑制表层中含有F、P、S元素的材料的填充物破裂，并防止表层中含有F、P、S元素的材料的填充物脱落。
[0032]在一实例中，作为骨架结构的多孔碳可以是一个多孔碳形成的骨架结构，即里层中的填充物和表层中的填充物位于同一个多孔碳的孔隙中。上述结构能够进一步提升所述硅碳材料的结构稳定性。
[0033]作为硅碳材料的里层填充物的硅，可以部分或全部填充多孔碳的孔隙。
[0034]所述含有F、P、S元素的材料中的F元素、P元素、S元素可以以化合物的形式存在。
[0035]在一实例中，所述含有F、P、S元素的材料选自二氟草酸硼酸锂、二氟双草酸磷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、氟化锂、氟化钠、六氟磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸锂、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、硫酸锂、硫酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳材料，其特征在于，所述硅碳材料包括作为骨架结构的多孔碳和填充于所述多孔碳的孔隙中的填充物，在所述硅碳材料的里层中的所述填充物包括硅，在所述硅碳材料的表层中的所述填充物包括含有F、P、S元素的材料。2.根据权利要求1所述的硅碳材料，其中，所述含有F、P、S元素的材料中的F元素、P元素、S元素之间的重量比满足关系式(I
‑
1)、(II
‑
1)、(III
‑
1)中的一个或多个：0.04＜m
P
/m
F
＜0.35，式(I
‑
1)；0.02＜m
S
/m
F
＜0.25，式(II
‑
1)；0.3＜m
S
/m
P
＜1，式(III
‑
1)。3.根据权利要求1或2所述的硅碳材料，其中，所述硅碳材料包括C元素、Si元素、F元素、P元素和S元素，其中，以所述硅碳材料的总重量为基准，所述C元素的重量含量α满足30wt％≤α≤80wt％，和/或；所述Si元素的重量含量β满足15wt％≤β＜70wt％，和/或所述F元素、P元素、S元素的重量含量之和γ满足0.5wt％≤γ≤9wt％，α、β、γ之和满足93wt％≤α+β+γ＜100wt％；优选地，以所述硅碳材料的总重量为基准，所述C元素的重量含量α满足40wt％≤α≤55wt％，所述Si元素的重量含量β满足40wt％≤β≤55wt％，F元素、P元素、S元素的重量含量之和γ满足2.5wt％≤γ≤5.5wt％，且α、β、γ之和满足94wt％≤α+β+γ≤97.5wt％。4.根据权利要求1所述的硅碳材料，其特征在于，所述硅碳材料的表层中的所述填充物中包括Li元素，优选地，所述Li元素的重量与F元素、P元素、S元素重量之和的比满足0.1＜m
Li
/(m
F

【专利技术属性】
技术研发人员：范洪生，曾长安，汪辉，刘春洋，李素丽，
申请(专利权)人：珠海冠宇电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：