负极材料及其制备方法、负极电极及其制备方法、电化学装置和用电装置制造方法及图纸

本申请公开了一种负极材料及其制备方法、负极电极及其制备方法、电化学装置和用电装置。该负极材料包括钠掺杂氧化亚硅颗粒和包覆于钠掺杂氧化亚硅颗粒表面的碳包覆层，钠掺杂氧化亚硅颗粒包括表面附着有钠硅酸盐的氧化亚硅颗粒和无机物粉末；无机物粉末选自嵌合于钠硅酸盐中的单质硅颗粒、钠的氧化物粉末、钠的氢氧化物粉末、钠的有机弱酸盐粉末、钠的碳酸氢盐粉末、钠的碳酸盐粉末、钠的硝酸盐粉末、钠的亚硝酸盐粉末或其组合。本申请的负极材料利用钠掺杂的氧化亚硅颗粒，减少氧化亚硅对锂离子的消耗，有效改善首次充放电效率低的问题；并通过碳包覆层改善导电性，进而提升全电池的能量密度。池的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法、负极电极及其制备方法、电化学装置和用电装置


[0001]本申请属于电池
，尤其涉及一种负极材料及其制备方法、负极电极及其制备方法、电化学装置和用电装置。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车产业的快速发展和不断壮大，高容量的电池系统开发泼在眉睫。硅基负极材料因其理论比容量高、嵌锂电势低、原材料丰富、无毒和环保等优势获得广泛关注和大量研究，有望取代碳负极材料成为下一代高性能锂电池负极材料。
[0003]然而，硅负极材料在脱嵌锂过程中巨大的体积膨胀容易导致活性颗粒破碎粉化、表面SEI膜结构不稳定而连续生长，以及严重的电极结构崩塌等原因，使得硅负极电化学性能快速衰减，循环寿命低。此外，硅负极导电性差、Li
+
扩散速率低，其内阻高、倍率性能也较差。更为主要的是，使用硅负极材料的锂离子电池存在首次充放电效率低的问题，且其面容量低和加工成本高。

技术实现思路

[0004]本申请实施例提供一种负极材料及其制备方法，通过碳包覆的钠掺杂的氧化亚硅颗粒材料，提前生成钠硅酸盐包覆层，减少首次充放电过程中负极材料氧化亚硅对锂离子的消耗，能够有效的改善硅负极材料的首效低的问题，进而提升全电池的能量密度。
[0005]第一方面，本申请的实施例提供一种负极材料的制备方法，方法包括以下步骤：
[0006]按照Si:Na摩尔比为1:0.05～0.6的配比将氧化亚硅颗粒和钠源混合均匀，得到原料混合物；
[0007]将原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒；
[0008]在上述钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料。
[0009]在本申请的一实施例中，钠源选自金属钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠、硬质酸钠、氢氧化钠、硝酸钠、氧化钠、氧化亚钠或其组合的粉末。
[0010]在本申请的一实施例中，按照Si:Na摩尔比为1:0.05～0.6的配比将氧化亚硅颗粒和钠源混合均匀的步骤，其工艺参数需要满足：采用的混合设备转速为100转/分钟～250转/分钟，混合时间为2小时～6小时。
[0011]在本申请的一实施例中，将原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒的步骤使用的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或者几种的组合。
[0012]示例性的，惰性气体为氮气与氩气，或氮气与氦气，或氦气与氮气任意体积比的组合。
[0013]在本申请的一实施例中，将原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒的步骤，包括：
[0014]将原料混合物升温至700℃～1000℃；
[0015]在700℃～1000℃下保温1小时～4小时后自然冷却，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒。
[0016]在本申请的一实施例中，在上述钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料的步骤，采用化学气相沉积法在钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，包括：
[0017]提供气体碳源；
[0018]在以下气相沉积参数下对钠掺杂氧化亚硅颗粒进行化学气相沉积，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料：
[0019]气体碳源流量为0.5L/min～5.0L/min，气体碳源的温度为600℃～950℃，沉积时间为0.5小时～5小时。
[0020]在本申请一实施例中，气体碳源选自天然气、煤气、C1
‑
C10的醇类、C1
‑
C8的烷类化合物、C2
‑
C7的烯类化合物、C2
‑
C6的炔类化合物或其任意体积比的组合。
[0021]在本申请一实施例中，C1
‑
C10的醇类选自甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙二醇、正丁醇、2
‑
丁醇、1,2
‑
丁二醇、1,3
‑
丁二醇、正戊醇、2
‑
戊醇、3
‑
戊醇、2
‑
甲基
‑1‑
丁醇、2
‑
甲基
‑2‑
丁醇、3
‑
甲基
‑2‑
丁醇、3
‑
甲基
‑2‑
丁醇、正己醇、2
‑
己醇、3
‑
己醇、2
‑
甲基戊烷醇、3
‑
甲基戊烷醇、2,2
‑
二甲基丁烷醇、2,3
‑
二甲基丁烷醇、正庚醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇或其组合；和/或
[0022]C1
‑
C8的烷类化合物选自甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷或其同分异构体或环状烷的组合；和/或
[0023]C2
‑
C7的烯类化合物选自乙烯、丙烯、正丁烯及其同分异构体、戊烯及其同分异构体、己烯及其同分异构体、庚烯及其同分异构体或其组合；和/或
[0024]C2
‑
C6的炔类化合物选自乙炔、丙炔、1
‑
丁炔、1
‑
戊炔、1
‑
己炔或其组合。
[0025]第二方面，本申请的实施例提供一种负极材料，包括钠掺杂氧化亚硅颗粒和包覆于氧化亚硅颗粒表面的碳包覆层，钠掺杂氧化亚硅颗粒包括表面附着有钠硅酸盐的氧化亚硅颗粒和无机物粉末；无机物粉末选自嵌合于钠硅酸盐中的单质硅颗粒、钠的氧化物粉末、钠的氢氧化物粉末、钠的有机弱酸盐粉末、钠的碳酸氢盐粉末、钠的碳酸盐粉末、钠的硝酸盐粉末、钠的亚硝酸盐粉末或其组合。
[0026]钠掺杂氧化亚硅颗粒为氧化亚硅颗粒与钠源煅烧后制得的混合物，其包括表面附着有钠硅酸盐的氧化亚硅颗粒和无机物粉末；其中，无机物粉末选自嵌合于钠硅酸盐中的单质硅颗粒、钠的氧化物粉末、钠的氢氧化物粉末、钠的有机弱酸盐粉末、钠的碳酸氢盐粉末、钠的碳酸盐粉末、钠的硝酸盐粉末、钠的亚硝酸盐粉末或其组合。其中，在一些实施例中，由于存在煅烧不完全的现象，无机物粉末中可能含有部分未反应的钠源，以及部分钠源与氧化亚硅颗粒反应后的物质。
[0027]在本申请一实施例中，碳包覆层的质量占钠掺杂氧化亚硅颗粒的质量含量为2wt％～10wt％。
[0028]在本申请一实施例中，钠掺杂氧化亚硅颗粒中Si:Na的摩尔比为1:0.05～0.6。
[0029]在本申请一实施例中，钠掺杂氧化亚硅颗粒中的钠源自金属钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠、硬质酸钠、氢氧化钠、硝酸钠、氧化钠、氧化亚钠或其组合的粉末。
[0030]在本申请一实施例中，负极材料的平均粒径D
50
为5微米～10微米。
[0031]第三方面，本申请的实施例提供一种负极电极，包括集流体，以及涂覆于集流体上的负极材料层；上述负极材料层包括质量比为(20～50):(40～76):(1～3):(1.3～5)的上述负极材料、人造石墨烯负极材料、负极导电剂、负极粘接剂。<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，包括钠掺杂氧化亚硅颗粒和包覆于所述钠掺杂氧化亚硅颗粒表面的碳包覆层，所述钠掺杂氧化亚硅颗粒包括表面附着有钠硅酸盐的氧化亚硅颗粒和无机物粉末；无机物粉末选自嵌合于钠硅酸盐中的单质硅颗粒、钠的氧化物粉末、钠的氢氧化物粉末、钠的有机弱酸盐粉末、钠的碳酸氢盐粉末、钠的碳酸盐粉末、钠的硝酸盐粉末、钠的亚硝酸盐粉末或其组合。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述碳包覆层的质量占所述钠掺杂氧化亚硅颗粒的质量含量为2wt％～10wt％。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述钠掺杂氧化亚硅颗粒中Si:Na的摩尔比为1:0.05～0.6。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的负极材料，其特征在于，所述钠掺杂氧化亚硅颗粒中的钠源自金属钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠、硬质酸钠、氢氧化钠、硝酸钠、氧化钠、氧化亚钠或其组合的粉末。5.根据权利要求1
‑
3任一项所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料的平均粒径D
50
为5微米～10微米。6.一种如权利要求1
‑
5任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照Si:Na摩尔比为1:0.05～0.6的配比将氧化亚硅颗粒和钠源混合均匀，得到原料混合物；将所述原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒；在所述钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述按照Si:Na摩尔比为1:0.05～0.6的配比将氧化亚硅颗粒和钠源混合均匀的步骤，其工艺参数需要满足：采用的混合设备的转速为100转/分钟～250转/分钟，混合时间为2小时～6小时。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒的步骤使用的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种或者几种的组合。9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将原料混合物置于惰性气氛中煅烧，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒的步骤，包括：将原料混合物升温至700℃～1000℃；在700℃～1000℃温度下保温1小时～4小时后自然冷却，制得钠掺杂氧化亚硅颗粒。10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在所述钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料的步骤，采用化学气相沉积法在钠掺杂氧化亚硅颗粒表面生成碳包覆层，包括：提供气体碳源；在以下气相沉积参数下对钠掺杂氧化亚硅颗粒进行化学气相沉积，制得碳包覆的钠掺杂氧化亚硅颗粒的负极材料：气体碳源流量为0.5L/min～5.0L/min，气体碳源的温度为600℃～950℃，沉积时间为0.5小时～5小时。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述气体碳源选自天然气、煤气、C1
‑
C10的醇类、C1
‑
C8的烷类化合物、C2
‑
C7的烯类化合物、C2
‑
C6的炔类化合物或其任意体积比的组合。12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述C1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴洁帆，
申请(专利权)人：北京车和家汽车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：