一种硅碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，属于二次电池材料技术领域。本发明专利技术提供的硅碳负极材料包括核和壳；硅碳负极材料的真密度为ρ

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二次电池材料及其制备方法
，尤其是涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在目前的动力电池和消费类电池市场中，锂离子电池因为其电压、寿命、自放电及能量密度等方面的巨大优势，成为了绝对主流的储能体系。而同样因为不同使用场景对锂离子电池的续航存在无止境的提升需求，提升锂离子电池的能量密度(ED)(体积能量密度VED、质量能量密度GED)是在其他基本性能满足的前提下的最终目标。
[0003]正极材料和负极材料均会影响锂离子电池的能量密度。其中正极材料已经在工艺使用中达到容量发挥极限，或提升比例不高(磷酸铁锂150/175mAh/g、镍钴锰三元正极190/205mAh/g、锰酸锂142/148mAh/g)。石墨由于高稳定性和合适的电压，是常用的商业负极材料，但是石墨负极也已经达到了容量和首效的妥协瓶颈(355/372mAh/g)。为突破能量密度的瓶颈，硅基负极逐渐被消费类电池使用，并开始向动力电池发展，其主要价值在十倍于石墨不止的高克容量(4200mAh/g vs 372mAh/g)，但同时因为其能容纳大量的锂离子进行合金化反应，在电池循环的脱嵌锂过程中，会产生>300％的体积膨胀。体积膨胀会显著影响硅基负极材料的循环性能。
[0004]硅基负极的路线主要包括硅氧路线、预锂化硅氧材料和硅碳材料。其中，硅氧路线中，负极材料的首效过低(～76％)，会造成正极活性锂离子的大量损失；预锂化硅氧材料可一定程度弥补硅氧材料首效过低的问题，但是预锂化过程中，所使用的锂源价格昂贵，首效提升也已接近极限(82％)；传统硅碳材料的制备方法大多是将硅源和碳源混合研磨，以降低硅源的粒径，研磨法中硅颗粒粒径的下限已非常接近(厚20nm、长100nm片状)，但所得硅碳材料仍然不能解决其嵌锂膨胀对电芯带来的结构冲击。
[0005]综上，而现在的工业化导入验证都证明了硅基负极的常用方案路线均已达到容量的设计极限：390mAh/g、420mAh/g、400mAh/g；且所得硅基负极材料的体积膨胀问题依然不能很好的解决，也就是包括上述硅基负极材料的电池的循环性能以及其他电化学性能有待进一步提升。

技术实现思路

[0006]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碳负极材料，能够有效提高硅碳基负极材料的倍率性能和循环性能。
[0007]本专利技术还提供了上述硅碳负极材料的制备方法。
[0008]本专利技术还提供了包括上述硅碳负极材料的锂离子电池。
[0009]本专利技术还提供了上述锂离子电池的应用。
[0010]根据本专利技术第一方面的实施例，提供了一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括核以及包裹于所述核表面的壳；所述硅碳负极材料的真密度为ρ
RD
；
[0011]所述核包括多孔碳骨架以及弥散于所述多孔碳骨架中的硅基组分；所述多孔碳骨架的孔容积为PV，真密度为ρ
C
；所述硅基组分的真密度为ρ
Si
；
[0012]并且满足式(I)：
[0013][0014]其中：1.5g/cc≤ρ
RD
≤2.4g/cc；0.45cc/g≤PV≤1.55cc/g；1g/cc≤ρ
Si
≤2.35g/cc；1.2g/cc≤ρ
C
≤2.28g/cc。
[0015]根据本专利技术实施例的硅碳负极材料，至少具有如下有益效果：
[0016](1)传统技术中，大多通过机械法对硅基材料进行破碎，以期获得可以缓解体积膨胀的，小粒径的硅基材料，但是这种技术手段所获得的效果不明显。
[0017]本专利技术提供的制备方法，限定硅基组分弥散在多孔碳骨架中，由此可通过所述多孔碳骨架的孔的大小，对硅基组分的粒径进行限定，因此硅基组分粒径的调节更加方便，范围更多，可尽可能的避免硅基组分在充放电过程中体积膨胀带来的电化学性能下降。
[0018]具体的，本专利技术提供的硅碳负极材料满嵌膨胀相较于传统研磨法硅碳材料降低约50％。
[0019](2)和三星等企业生产的传统硅碳(Si研磨颗粒降级产生，20nm薄，100nm长，片状)相比，本专利技术提供的硅碳负极材料中，硅基组分均匀弥散在多孔碳骨架中，提升了硅基组分的弥散度最大化，从而实现硅基组分脱嵌锂膨胀对硅碳负极材料应力分布的最大化，实现在锂离子电池中的硅基组分膨胀对电芯结构的冲击最小化。此外，这种弥散的分布方式，可显著提升硅基组分和多孔碳骨架之间的协同作用，提升硅碳负极材料的电子导电率和离子导电率。最终提升所得硅碳负极材料的循环性能和倍率性能。
[0020](3)本专利技术提供的硅碳负极材料具有壳，由此可保护其在电芯制备工艺中由于水系粘结剂中进行搅拌、制浆过程中被侵蚀和氧化后产生不利于电芯工艺生产的氢气等其他气体。
[0021](4)硅碳负极材料本身以克容量密度高见长，即便克容量密度高，但是若真密度过低，则会导致硅碳负极材料体积密度低，因此真密度是硅碳负极材料是否能为电芯带来切实能量密度提升的关键指标。本专利技术将硅碳负极材料的真密度、多孔碳骨架的孔容积、真密度和硅基组分真密度等参数进行了关系限定，可实现最大化抑制所述硅碳负极材料中硅基组分脱嵌锂所带来的体积变化对硅碳负极材料本身颗粒的体积冲击：最终实现硅基组分在电芯负极中的大量应用和导入。
[0022](5)本专利技术针对硅基组分生产工艺所能达到的粒径和晶态结构，选择合适参数的多孔碳骨架，在多孔碳骨架为硅基组分提供的空间和多孔碳骨架本身机械强度两方面进行调控，合成了一种低膨胀、高兼容的锂离子电池用硅碳负极材料。也就是说，多孔碳骨架的孔结构(孔容)、机械强度(承压能力)、石墨化度(真密度)、硅基组分的粒径(受限于孔径)、分布的弥散度(受孔分布影响)、晶态结构(硅基组分的真密度)等之间发生了协同作用，显著提升了其综合性能。
[0023]具体的，目前满足电芯膨胀的前提下，使用硅+石墨复合负极体系的复合克容量仅能做到400mAh/g左右。但是使用本专利技术提供的硅碳负极材料+石墨进行复合使用，可在不同
的电芯结构设计中，在软包电芯体积膨胀无感层面上，使负极复合克容量从石墨的355mAh/g，提升至500mAh/g，甚至上限可达800mAh/g。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，式(I)中，ρ
RD
为1.75～2.25g/cc。例如具体可以是约1.9g/cc、2.1g/cc或2.2g/cc。
[0025]根据本专利技术的一些实施例，式(I)中，PV为0.55～0.95cc/g。例如具体可以是约0.65cc/g、0.7cc/g、0.75cc/g或0.9cc/g。
[0026]根据本专利技术的一些实施例，式(I)中，ρ
Si
为1.25～1.75g/cc。
[0027]根据本专利技术的一些实施例，式(I)中，ρ
C
为1.5～2.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括核以及包裹于所述核表面的壳；所述硅碳负极材料的真密度为ρ
RD
；所述核包括多孔碳骨架以及弥散于所述多孔碳骨架中的硅基组分；所述多孔碳骨架的孔容积为PV，真密度为ρ
C
；所述硅基组分的真密度为ρ
Si
；并且满足式(I)：其中：1.5g/cc≤ρ
RD
≤2.4g/cc；0.45cc/g≤PV≤1.55cc/g；1g/cc≤ρ
Si
≤2.35g/cc；1.2g/cc≤ρ
C
≤2.28g/cc。2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，式(I)中，ρ
RD
为1.75～2.25g/cc；优选地，式(I)中，PV为0.55～0.95cc/g；优选地，式(I)中，ρ
Si
为1.25～1.75g/cc；优选地，ρ
C
为1.5～2.2g/cc。3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅基组分占所述硅碳负极材料的质量百分比为W
Si
，所述硅碳负极材料的嵌锂容量为CAP；并且满足式(II)；180≤CAP
‑
3769
×
W
Si
≤680
ꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建华，简正军，冯荣标，吴易华，
申请(专利权)人：江门市和创新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：