本申请涉及一种负极材料、负极极片、电化学装置、用电设备。负极材料包括核和壳层；核为多孔碳，核具有孔隙；孔隙壁面上含有硅材料；壳层为碳材料，壳层包裹在核表面，封闭孔隙。上述负极材料中，多孔碳和壳层的碳材料为无序结构，储锂较少。孔隙作为储锂的主要区域，孔隙壁面上含有硅材料，硅材料作为亲锂性物质，可以诱导锂从负极材料外部的壳层进入核的孔隙，使锂金属沉积过程中沉积位置可控，降低锂金属沉积不均匀性，从而有利于提高锂离子电池的比容量和循环性能。量和循环性能。量和循环性能。
【技术实现步骤摘要】
负极材料、负极极片、电化学装置、用电设备
[0001]本申请涉及一种负极材料、负极极片、电化学装置、用电设备。
技术介绍
[0002]自1991年日本Sony公司将锂离子电池商品化以来，锂离子电池由于其能量密度高、工作电压高、负载特性好、充电速度快等优点，迅速在移动电话、微型相机、掌上电脑、笔记本电脑等领域得到了广泛的应用。
[0003]然而，随着下游应用对电池能量和功率性能的需求不断提升，目前商用的锂离子电池容量已显得捉襟见肘。
技术实现思路
[0004]目前，商用锂离子电池负极以石墨类材料为主，根据石墨层间LiC 6的储锂机制，其理论比容量仅为372mAh/g，提升空间十分有限，且石墨层间的锂扩散也制约了其倍率性能。因此，研究和制备新型的高容量、长循环的锂离子电池，负极材料是继续发展锂离子电池的关键。
[0005]为了提高锂离子电池的容量，现有技术通过在阳极极片上构建多孔碳骨架，在电池放电过程中，锂金属从阳极剥离并嵌入到阴极材料中，多孔碳骨架能够维持本身的形状；在电池充电过程中，锂金属从阴极剥离并沉积到阳极极片上，多孔碳骨架还可以分散电流，降低局部电流密度，从而减少锂枝晶，提高锂沉积密度，达到提高锂离子电池性能的目的。但是，由于多孔碳骨架本身对锂的结合能较大，在锂金属沉积过程中沉积位置不可控，导致锂金属沉积不均匀，使得阳极极片在循环过程中体积变化大和容量衰减快。
[0006]基于以上考虑，本申请的目的在于提供一种负极材料、负极极片、电化学装置、用电设备。
[0007]本申请的实施例是这样实现的：
[0008]第一方面，本申请实施例提供一种负极材料，负极材料包括核和壳层；
[0009]核为多孔碳，核具有孔隙；
[0010]孔隙壁面上含有硅材料；
[0011]壳层为碳材料，壳层包裹在核表面，封闭孔隙。
[0012]上述负极材料中，多孔碳和壳层的碳材料为无序结构，储锂较少。孔隙作为储锂的主要区域，孔隙壁面上含有硅材料，硅材料作为亲锂性物质，可以诱导锂从负极材料外部的壳层进入核的孔隙，使锂金属沉积过程中沉积位置可控，降低锂金属沉积不均匀性，从而有利于提高锂离子电池的比容量和循环性能。
[0013]进一步地，上述负极材料中，壳层包裹在核表面，封闭孔隙，使孔隙变为闭孔，使得外部电解液进入不到内部孔隙，使得锂在去溶剂化之后进入孔隙。
[0014]进一步地，硅材料在孔隙壁面上，孔隙储存金属锂的同时可预留一部分空间，以便缓冲由锂金属带来的体积膨胀，从而提高循环性能。
[0015]在一些可选的实施方案中，上述硅材料的厚度为0.5nm～4nm。
[0016]上述技术方案中，设置硅材料的厚度在上述范围内，有利于使得更多的锂穿过壳层进入到孔隙里，同时有利于降低锂析出在负极材料表面，从而可以获得更高的比容量。
[0017]在一些可选的实施方案中，以质量百分比计，硅材料占负极材料总质量的0.01％～20％。可选地，以质量百分比计，硅材料占负极材料总质量的0.01％～4％。
[0018]上述技术方案中，设置硅材料占负极材料总质量在上述范围内，既可以有效地诱导锂从负极材料外部的壳层进入核的孔隙，又可以使得整个负极材料具有良好的循环稳定性。
[0019]在一些可选的实施方案中，上述硅材料与多孔碳的面积比为0.01～0.3。
[0020]硅材料与多孔碳的面积比反映了硅材料亲锂性的大小。该面积比值不能太高，过高可能会导致材料整体的能量密度或者循环性能降低。上述技术方案中，设置硅材料与多孔碳的面积比为0.01～0.3，有利于材料整体的能量密度或者循环性能。
[0021]在一些可选的实施方案中，上述孔隙与多孔碳的面积比为0.3～3。
[0022]孔隙与多孔碳的面积比间接反映了材料内部孔隙率，孔隙作为储锂的主要区域，该面积比值直接影响了材料的容量以及能量密度，该面积比值越大，材料容量越高。另一方面，该面积比值太高的话，材料的压实密度会过低，不利于能量密度的提升。因而，上述技术方案中，设置孔隙与多孔碳的面积比为0.3～3，可以使得能量密度提升。
[0023]在一些可选的实施方案中，面积比的测试方法为：通过透射电子显微镜对负极材料进行拍摄观察，然后使用图像解析软件Image J，从照片中随机地选出10个负极材料颗粒，对每个颗粒进行区域1、区域2和区域3的辩别以及分类识别，通过软件计算区域1、区域2和区域3的面积，并计算区域2和区域1的面积比，记为A1；或者计算区域3的和区域1的面积比，记为A2；然后对10个负极材料颗粒对应的10个A1取平均值，即为硅材料与碳材料的面积比；
[0024]对10个负极材料颗粒对应的10个A2取平均值，即为孔隙与碳材料的面积比；
[0025]其中，区域1为碳材料；区域2为硅材料；区域3为孔隙。
[0026]在一些可选的实施方案中，上述硅材料包括硅或碳化硅中的至少一种。
[0027]碳化硅可作为亲锂性物质，可以有效地诱导锂从负极材料的壳层进入核的孔隙，从而有利于提高锂离子电池的比容量和循环性能。
[0028]硅作为亲锂性物质的同时也可以作为储锂材料，不仅可以有效地诱导锂从负极材料的壳层进入核的孔隙，并且可以进一步提高锂离子电池的比容量。
[0029]在一些可选的实施方案中，上述壳层厚度2nm～20nm。
[0030]壳层的厚度不能过大，否则由于锂扩散穿过壳层的能垒过高导致锂直接在负极材料表面形核长大，可能会增加热失控的概率；而壳层的厚度过小，无法实现有效包覆。上述技术方案中，设置硅材料的厚度为0.5nm～4nm，即可以使得锂扩散穿过壳层，又能够有效地包覆核，封闭孔隙。
[0031]在一些可选的实施方案中，上述核满足以下特征中的至少一项：
[0032](a)多孔碳的比表面积为500m2/g～3000m2/g；
[0033](b)多孔碳的平均孔径为1nm～30nm；
[0034](c)多孔碳的孔容为0.1cm3/g～1.5cm3/g；
[0035](d)多孔碳的D
V
50为1μm～20μm；
[0036](e)多孔碳的d002为0.38nm～0.41nm；
[0037](f)多孔碳的孔隙孔径为2nm～40nm。
[0038]多孔碳材料从孔隙形状上可以分为裂缝孔、锥形孔、筒形孔、球形等，有些孔是不规则的。上述技术方案中的孔隙孔径定义为孔壁面内相距最远的两点之间的距离。过小的孔隙孔径可以让硅材料对锂扩散发挥更好的诱导作用，但是会降低整体的储锂量。当孔隙过大时，会导致距离孔口较远的硅材料的诱导作用被削弱，当锂扩散穿过负极材料的壳层的能垒高于在颗粒表面形核长大的能垒时，锂金属不在孔隙内沉积而沉积在颗粒表面，就会导致锂沉积的不均匀，容量衰减快，甚者可能会增加热失控的概率。
[0039]多孔碳的平均孔径不宜过大或过小，过大不利于引入硅材料；上述技术方案中，设置多孔碳的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括核和壳层；所述核为多孔碳，所述核具有孔隙；所述孔隙壁面上含有硅材料；所述壳层为碳材料。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，以质量百分比计，所述硅材料占所述负极材料总质量的0.01％～20％；可选地，以质量百分比计，所述硅材料占所述负极材料总质量的0.01％～4％。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料与所述多孔碳的面积比为0.01～0.3。4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述孔隙与所述多孔碳的面积比为0.3～3。5.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料包括单质硅或碳化硅中的至少一种。6.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料的厚度为0.5nm～4nm，和/或所述壳层的厚度2nm～20nm。7.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述核满足以下特征中的至少一项：(a)所述多孔碳的比表面积为500m2/g～3000m2/g；(b)所述多孔碳的平均孔径为1...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭福金，易政，郑子桂，谢远森，
申请(专利权)人：宁德新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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