负极材料及其制备方法、电池技术

本申请涉及负极材料及及其制备方法、电池，负极材料包括二次颗粒，二次颗粒包括硅纳米一次颗粒；硅纳米一次颗粒包括至少一个硅晶粒，硅晶粒的平均粒径为Ds nm，硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，二次颗粒的平均粒径为Dm nm；硅纳米一次颗粒的晶态度为A，A＝Dn/Ds，且1≤A≤200；二次颗粒的堆积度为B，B＝Dm/Dn，且5≤B≤400。通过探索硅纳米一次颗粒的尺寸与硅晶粒的尺寸关系以及二次颗粒与硅纳米一次颗粒的尺寸之间的平衡关系，可以减弱硅纳米一次颗粒脱嵌锂产生的应力集中问题，进而提高负极材料的结构稳定性，降低材料的膨胀率，从而提升负极材料的电化学性能及循环性能。升负极材料的电化学性能及循环性能。升负极材料的电化学性能及循环性能。

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法、电池


[0001]本专利技术涉及负极材料
，尤其涉及负极材料及电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于具备能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点而被广泛应用于电动汽车以及消费类电子产品中。
[0003]为了提高电池能量密度，硅负极材料的研究和开发日趋成熟。但是硅负极材料脱嵌锂过程中体积膨胀较大(>300％)，硅负极材料在充放电过程中会粉化从集流体上掉落，使得活性物质与集流体之间失掉电触摸，导致电化学性能变差，容量衰减、循环稳定性下降，难以得到商业应用。为了提高硅负极材料的导电性和循环稳定性，可以采用碳包覆，现有的碳包覆制备方法步骤复杂，且单纯的碳包覆无法有效提升硅碳负极的电化学性能。
[0004]基于此，亟需开发一种具有长循环、低膨胀的硅碳负极材料。

技术实现思路

[0005]本申请提出了负极材料及其制备方法、电池，使得负极材料兼具高首效、优异的循环稳定性及低膨胀性能。
[0006]第一方面，本申请提供一种负极材料，所述负极材料包括二次颗粒，所述二次颗粒包括硅纳米一次颗粒；
[0007]所述硅纳米一次颗粒包括至少一个硅晶粒，所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm；
[0008]所述硅纳米一次颗粒的晶态度为A，A＝Dn/Ds，且1≤A≤200；
[0009]所述二次颗粒的堆积度为B，B＝Dm/Dn，且5≤B≤400。
[0010]在一些实施方式中，所述硅纳米一次颗粒的晶态度A＝1，所述硅纳米一次颗粒为单晶硅。
[0011]在一些实施方式中，所述硅纳米一次颗粒的晶态度1＜A≤200，所述硅纳米一次颗粒包括至少两种晶型的硅晶粒。
[0012]在一些实施方式中，所述硅纳米一次颗粒包括至少两种晶型的硅晶粒。
[0013]在一些实施方式中，所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，1≤Ds≤100。
[0014]在一些实施方式中，所述硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，1≤Dn≤200。
[0015]在一些实施方式中，所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm，500≤Dm≤25000。
[0016]在一些实施方式中，所述负极材料还包括位于所述硅纳米一次颗粒至少部分表面的导电层。
[0017]在一些实施方式中，所述导电层包括非晶碳材料、石墨化碳材料、导电陶瓷材料中的至少一种。
[0018]在一些实施方式中，所述导电层包括石墨化碳材料，所述石墨化碳材料为石墨烯，石墨烯的层数＜20。
[0019]在一些实施方式中，所述导电层的厚度为1nm～200nm。
[0020]在一些实施方式中，所述导电层包括导电陶瓷材料，所述导电陶瓷材料包括金属氧化物、过渡金属氮化物、硫化物中的至少一种。
[0021]在一些实施方式中，所述导电陶瓷材料包括金属氧化物，所述金属氧化物包括V2O5、TiO2、Nb2O5、CdO、CsO、MoO3、WO3、BaO、SnO2、Cr2O3、MnO、Ag2O、CoO、NiO、Cu2O和SnO中的至少一种。
[0022]在一些实施方式中，所述导电陶瓷材料包括过渡金属氮化物，所述过渡金属氮化物包括VN、TiN、CoN、Fe3N、Co4N和WN中的至少一种。
[0023]在一些实施方式中，所述负极材料还包括位于所述二次颗粒的至少部分表面的包覆层。
[0024]在一些实施方式中，所述包覆层包括非晶碳材料、石墨化碳材料、聚合物中的至少一种。
[0025]在一些实施方式中，所述包覆层包括聚合物，所述聚合物包括聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚氨酯、聚多巴胺、黄原胶、聚吡咯、聚噻吩、聚苯乙炔、聚苯胺、聚乙炔、单宁酸中的至少一种。
[0026]在一些实施方式中，所述包覆层包括聚合物，所述聚合物在所述负极材料中的质量含量为1％～20％。
[0027]在一些实施方式中，所述包覆层包括石墨化碳材料，所述包覆层的厚度为5nm～100nm。
[0028]在一些实施方式中，所述包覆层包括非晶碳材料，所述包覆层的厚度为10nm～500nm。
[0029]在一些实施方式中，所述包覆层包括聚合物，所述包覆层的厚度为5nm～300nm。
[0030]在一些实施方式中，所述负极材料中的碳元素的质量含量为5％～80％。
[0031]在一些实施方式中，所述负极材料的粉体振实密度为0.3g/cm3～1.3g/cm3。
[0032]在一些实施方式中，所述负极材料的粉体压实密度为1.2g/cm3～1.8g/cm3。
[0033]在一些实施方式中，所述负极材料的中值粒径为0.5μm～25μm。
[0034]在一些实施方式中，所述负极材料的比表面积为1.0m2/g～50m2/g。
[0035]在一些实施方式中，所述负极材料中氧元素的质量含量＜15％。
[0036]第二方面，本申请提供一种负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0037]制备硅纳米一次颗粒，所述硅纳米一次颗粒包括至少一个硅晶粒；所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，1≤Ds≤100，硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，1≤Dn≤200；所述硅纳米一次颗粒的晶态度为A，A＝Dn/Ds，且1≤A≤200；
[0038]将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒，得到负极材料，所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm，500≤Dm≤25000；所述二次颗粒的堆积度为B，B＝Dm/Dn，且5≤B≤400。
[0039]在一些实施方式中，述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒。
[0040]在一些实施方式中，所述硅源气体包括硅烷、乙硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、四氯化硅中的至少一种。
[0041]在一些实施方式中，所述气相沉积时的加热速率为1℃/min
‑
20℃/min。
[0042]在一些实施方式中，所述气相沉积前的真空压力小于1.0Torr。
[0043]在一些实施方式中，所述气相沉积时的温度为300℃～1000℃。
[0044]在一些实施方式中，所述硅源气体的流量为0.05L/min～10L/min。
[0045]在一些实施方式中，所述气相沉积的时间为0.1h～10h。
[0046]在一些实施方式中，所述气相沉积时的压力为100Torr～500Torr。
[0047]在一些实施方式中，所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒。
[0048]在一些实施方式中，所述阴离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸钠中的至少一种。
[0049]在一些实施方式中，所述阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括二次颗粒，所述二次颗粒包括硅纳米一次颗粒；所述硅纳米一次颗粒包括至少一个硅晶粒，所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm；所述硅纳米一次颗粒的晶态度为A，A＝Dn/Ds，且1≤A≤200；所述二次颗粒的堆积度为B，B＝Dm/Dn，且5≤B≤400。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，包含以下特征中的至少一种：(1)所述硅纳米一次颗粒的晶态度A＝1，所述硅纳米一次颗粒为单晶硅；(2)所述硅纳米一次颗粒的晶态度1＜A≤200，所述硅纳米一次颗粒包括至少两种晶型的硅晶粒；(3)所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，1≤Ds≤100；(4)所述硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，1≤Dn≤200；(5)所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm，500≤Dm≤25000。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料还包括位于所述硅纳米一次颗粒至少部分表面的导电层；所述负极材料满足以下特征中的至少一种：(1)所述导电层包括非晶碳材料、石墨化碳材料、导电陶瓷材料中的至少一种；(2)所述导电层包括石墨化碳材料，所述石墨化碳材料为石墨烯，石墨烯的层数＜20；(3)所述导电层的厚度为1nm～200nm；(4)所述导电层包括导电陶瓷材料，所述导电陶瓷材料包括金属氧化物、过渡金属氮化物、硫化物中的至少一种；(5)所述导电陶瓷材料包括金属氧化物，所述金属氧化物包括V2O5、TiO2、Nb2O5、CdO、CsO、MoO3、WO3、BaO、SnO2、Cr2O3、MnO、Ag2O、CoO、NiO、Cu2O和SnO中的至少一种；(6)所述导电陶瓷材料包括过渡金属氮化物，所述过渡金属氮化物包括VN、TiN、CoN、Fe3N、Co4N和WN中的至少一种。4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料还包括位于所述二次颗粒的至少部分表面的包覆层，所述负极材料满足以下特征中的至少一种：(1)所述包覆层包括非晶碳材料、石墨化碳材料、聚合物中的至少一种；(2)所述包覆层包括聚合物，所述聚合物包括聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚氨酯、聚多巴胺、黄原胶、聚吡咯、聚噻吩、聚苯乙炔、聚苯胺、聚乙炔、单宁酸中的至少一种；(3)所述包覆层包括聚合物，所述聚合物在所述负极材料中的质量含量为1％～20％；(4)所述包覆层包括石墨化碳材料，所述包覆层的厚度为5nm～100nm；(5)所述包覆层包括非晶碳材料，所述包覆层的厚度为10nm～500nm；(6)所述包覆层包括聚合物，所述包覆层的厚度为5nm～300nm。5.根据权利要求1～4任一项所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料满足以下特征中的至少一种：(1)所述负极材料中的碳元素的质量含量为5％～80％；(2)所述负极材料的粉体振实密度为0.3g/cm3～1.3g/cm3；(3)所述负极材料的粉体压实密度为1.2g/cm3～1.8g/cm3；(4)所述负极材料的中值粒径为0.5μm～25μm；
(5)所述负极材料的比表面积为1.0m2/g～50m2/g；(6)所述负极材料中氧元素的质量含量＜15％。6.一种负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备硅纳米一次颗粒，所述硅纳米一次颗粒包括至少一个硅晶粒；所述硅晶粒的平均粒径为Ds nm，1≤Ds≤100，硅纳米一次颗粒的平均粒径为Dn nm，1≤Dn≤200；所述硅纳米一次颗粒的晶态度为A，A＝Dn/Ds，且1≤A≤200；将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒，得到负极材料，所述二次颗粒的平均粒径为Dm nm，500≤Dm≤25000；所述二次颗粒的堆积度为B，B＝Dm/Dn，且5≤B≤400。7.根据权利要求6所述的负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含以下特征(1)至(8)中的至少一种：(1)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；(2)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述硅源气体包括硅烷、乙硅烷、三氯硅烷、二氯硅烷、四氯化硅中的至少一种；(3)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述气相沉积时的加热速率为1℃/min
‑
20℃/min；(4)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述气相沉积前的真空压力小于1.0Torr；(5)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述气相沉积时的温度为300℃～1000℃；(6)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述硅源气体的流量为0.05L/min～10L/min；(7)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述气相沉积的时间为0.1h～10h；(8)所述制备硅纳米一次颗粒的步骤包括利用硅源气体进行气相沉积，得到硅纳米一次颗粒；其中，所述气相沉积时的压力为100Torr～500Torr；(9)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述阴离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸钠中的至少一种；(10)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述阳离子表面活性剂包括聚二烯丙基二甲基氯化铵、氨丙基三乙氧基硅烷和硅烷偶联剂中的至少一种；(11)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述阴离子表面活性剂与所述硅纳米一次颗粒的质量比为(0.05～5)：1；
(12)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述阳离子表面活性剂与所述硅纳米一次颗粒的质量比为(0.05～10)：1；(13)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述第一溶液和/或所述第二溶液包括溶剂，所述溶剂包括水、无水乙醇、甲醇和异丙醇中的至少一种；(14)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述第一溶液中的硅纳米一次颗粒与所述第二溶液中的硅纳米一次颗粒的质量比为1：(0.5～1.5)；(15)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离后得到二次颗粒；其中，所述第一溶液中的固含量为2％～50％；(16)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒与阴离子表面活性剂的第一溶液与包含硅纳米一次颗粒与阳离子表面活性剂的第二溶液进行混合，固液分离得到二次颗粒；其中，所述第二溶液中的固含量为0.5％～25％；(17)所述将硅纳米一次颗粒组装形成二次颗粒的步骤包括：将包含硅纳米一次颗粒、阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂的混合浆料进行喷雾造粒，得到二次颗粒；其中，所述混合浆料的固含量为5％～60％；(18)所述将硅纳米一次颗粒组装形...

【专利技术属性】
技术研发人员：安威力，何鹏，任建国，贺雪琴，
申请(专利权)人：惠州市鼎元新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：