【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，尤其是涉及一种硅负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、商业化锂离子电池负极材料主要是石墨，理论比容量为372mah/g，而随着新能源领域的不断发展，对锂离子电池的能量密度提出了更高的需求，现有的石墨负极理论容量密度低，严重制约了锂离子电池能量密度的提升。
2、硅基材料理论比容量为4200mah/g，远远高于石墨，而且具有环境友好、地球元素丰度高、易加工等明显优势，逐渐成为负极材料的研究热点；但硅材料在充放电过程中产生的膨胀/收缩应力会导致硅负极材料严重开裂，从而导致不可逆的快速容量损失和低初始库仑效率，在极大程度上限制了硅负极材料的应用。
3、目前，抑制纯硅负极材料膨胀的常见方法是利用碳材料的高稳定性来包覆硅材料或将硅材料嵌入碳材料中制备硅碳复合负极材料。硅碳复合负极材料的制备方法有化学气相沉积法、机械球磨法、喷雾法、镁热还原法、溶胶一凝胶法以及热解法等，相比较而言，工艺简单和成本较低的化学气相沉积法更适合工业化生产应用，但化学气相沉积法制备得到的硅碳复合材料的导电率低、离子传递阻高，在一定程度上限制了硅碳复合材料的应用。
技术实现思路
1、为了提高气相沉积硅负极材料的导电率，降低离子转移阻抗，进而降低锂离子电池的内阻并提升锂离子电池的循环性能，本申请提供一种硅负极材料及其制备方法和应用。
2、第一方面，本申请提供一种硅负极材料，采用如下的技术方案：
3、一种硅负极材料，包括硅碳复合颗粒，所述硅碳复合颗
4、所述金属诱导基层包括锡、铝、镁中的任意一种；
5、所述硅碳复合材料层至少包括沿着远离所述金属诱导基层方向依次设置的第一硅碳层、第一碳层、第二硅碳层、第二碳层、和第三硅碳层，所述第一硅碳层、所述第二硅碳层和所述第三硅碳层均为碳包覆硅层。
6、优选地，所述多孔碳基体包括生物质基体、树脂基体制备的硬碳或者软碳至少一种。
7、专利技术人在制备和应用气相沉积硅负极材料的过程中发现，在气相沉积硅负极材料中，由于气相法沉积得到的硅具有较高的反应活性，可与空气中水分反应放热，不利于材料存储及运输；另外，多孔碳基体的表面沉积硅会导致匀浆过程产氢气，导致一定的安全隐患并影响极片制程；更为重要的是，由于硅导电性很低，其沉积在多孔碳基体内部的表面上后，将影响多孔碳基体的导电性，并且多孔碳基体的内部孔洞和硅之间接触不良也会导致界面电阻较大、传荷阻力大，降低硅负极材料的导电性，进而影响锂电池的内阻和循环性能。
8、本申请通过在多孔碳基体的表面沉积金属诱导基层，金属诱导基层中的金属能够与硅反应生成化合物，从而产生孔洞虹吸效应对碳包覆纳米硅产生沉积诱导，促进碳包覆纳米硅材料在多孔碳基体内部的表面上进行均匀沉积，避免碳包覆纳米硅材料在多孔碳基体的表面形成结晶硅而导致硅负极材料出现结构缺陷而引起导电率下降的情况；
9、其次，一方面，碳包覆纳米硅材料的反应活性相对于纳米硅材料的反应活性下降，不会与空气湿气反应导致硅负极材料失效或者出现安全风险，另一方面，碳包覆纳米硅材料与多孔碳基体之间的界面接触阻抗明显低于纳米硅材料与多孔碳基体之间的界面接触电阻，这都有助于降低离子转移阻抗，提高硅负极材料的导电率；
10、最后，本申请的硅碳复合材料层包括依次设置的第一硅碳层、第一碳层、第二硅碳层、第二碳层和第三硅碳层，这五层交替结构的配合不仅能够增加碳对纳米硅的表面包覆，有效提升硅的包覆完整性，降低纳米硅与电解液接触的概率、避免匀浆过程中产生氢气，而且能够增加多孔碳基体孔洞内的碳含量，以保证内部纳米硅的传导性，从而得到导电率高且容量高的硅负极材料。
11、优选地，还包括沉积在所述硅碳复合颗粒的外表面上的碳包覆层，所述碳包覆层包括碳材料。
12、通过在硅碳复合颗粒的外表面上沉积碳包覆层，能够降低多孔碳基体的表面缺陷并降低其比表面积以及沉积在多孔碳基体内部的表面上碳包覆纳米硅的反应活性，进一步提高硅负极材料的导电性。
13、优选地，所述碳包覆层的厚度为1-3nm。
14、通过控制碳包覆层的厚度，能够平衡纳米硅沉积在多孔碳基体表面的反应活性与硅负极材料的导电性，使硅负极材料在获得较高的容量的同时，仍然兼具较高的导电性能。
15、优选地，所述金属诱导基层中的金属元素与所述硅碳复合材料层中的硅元素的摩尔比为1：(10-100)。
16、通过调整金属元素与硅元素的比值，能够避免金属诱导基层中金属元素含量过高时导致的硅损失，提高硅沉积的利用率。
17、优选地，所述第一硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的15％-20％，和/或，所述第一碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的5％-10％，和/或，所述第二硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的30％-40％，和/或，所述第二碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的10％-20％，和/或，所述第三硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的20％-30％。
18、优选地，所述硅碳复合材料层的厚度为2-50nm。
19、通过控制第一硅碳层、第二硅碳层和第三硅碳层厚度的比值，能够确保硅碳层和碳层与多孔碳基体的有效连接。
20、优选地，所述多孔碳基体的粒径d50为6-9μm。所述多孔碳基体的比表面积为890-920m2/g，所述多孔碳基体内部的孔的孔径为2-50nm。
21、通过控制多孔碳基体的粒径d50和比表面积，有助于调整合适的施工工艺，并与施工工艺相配合来提高生产效率。
22、第二方面，本申请提供一种硅负极材料的制备方法，采用如下的技术方案：
23、一种硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：
24、s1，将多孔碳基体加入金属溶液中，加热搅拌后干燥，在所述多孔碳基体的表面沉积得到金属诱导基层；所述金属溶液包括质量浓度为1％-10％的金属化合物溶液，所述金属化合物溶液中的溶质包括sno、sno2、sncl2、sncl4、mgcl2、agcl2中的任意一种，所述金属化合物溶液中的溶剂包括水、乙醇、苯、四氯化碳、汽油、二硫化碳中的任意一种；
25、s2，将s1中制备得到的含有所述金属诱导基层的所述多孔碳基体置于惰性气氛中，依次通入第一气态硅碳混合源、第一气态碳源，沉积生成第一硅碳层和第一碳层；将s1的反应体系置于600-650℃的环境中并通入氮气，保持2-3h，使后续s2-s5的反应能够于惰性气氛中进行；
26、s3，向s2中的反应体系中依次通入第二气态硅碳混合源、第二气态碳源，沉积生成第二硅碳层和第二碳层；
27、s4，继续向s3中的反应体系中依次通入第三气态硅碳混合源，沉积生成第三硅碳层，得到硅碳复合颗粒；
28、s5，继续向s4中的反应体系中通入第三气态碳源，沉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅负极材料，其特征在于：包括硅碳复合颗粒，所述硅碳复合颗粒包括多孔碳基体、沉积在所述多孔碳基体内部的表面上的金属诱导基层和沉积在所述金属诱导基层上的硅碳复合材料层；
2.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：还包括沉积在所述硅碳复合颗粒的外表面上的碳包覆层，所述碳包覆层包括碳材料。
3.根据权利要求2所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述碳包覆层的厚度为1-3nm。
4.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述金属诱导基层中的金属元素与所述硅碳复合材料层中的硅元素的摩尔比为1：(10-100)。
5.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述第一硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的15％-20％，和/或，所述第一碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的5％-10％，和/或，所述第二硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的30％-40％，和/或，所述第二碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的10％-20％，和/或，所述第三硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的20％-30％。
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7.一种硅负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种硅负极材料的制备方法，其特征在于：
9.根据权利要求8述的一种硅负极材料的制备方法，其特征在于：第一气态硅碳混合源包括体积比为50％-70％：30％-50％的气态硅原料与气态碳原料的混合物；所述气态硅原料包括六甲基二硅烷、甲硅烷、乙硅烷中的任意一种，所述气态碳原料包括乙烷、甲烷、丙烷、乙烯中的任意一种；所述第一气态碳源包括乙烷、甲烷、丙烷、乙烯中的任意一种。
10.根据权利要求9所述的一种硅负极材料的制备方法，其特征在于：所述第二气态硅碳混合源和所述第三硅碳混合源中的各组分组成均与所述第一气态硅碳混合源中的组分相同；所述第二气态碳源和所述第三气态碳源中的组分均与所述第一气态碳源的组分相同。
11.一种负极极片，其特征在于：包括负极集流体和沉积在所述负极集流体表面的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括如权利要求1-6所述的硅负极材料。
12.一种锂离子电池，其特征在于：包括正极极片、隔膜、电解液和如权利要求11所述的负极极片。
...【技术特征摘要】
1.一种硅负极材料，其特征在于：包括硅碳复合颗粒，所述硅碳复合颗粒包括多孔碳基体、沉积在所述多孔碳基体内部的表面上的金属诱导基层和沉积在所述金属诱导基层上的硅碳复合材料层；
2.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：还包括沉积在所述硅碳复合颗粒的外表面上的碳包覆层，所述碳包覆层包括碳材料。
3.根据权利要求2所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述碳包覆层的厚度为1-3nm。
4.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述金属诱导基层中的金属元素与所述硅碳复合材料层中的硅元素的摩尔比为1：(10-100)。
5.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述第一硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的15％-20％，和/或，所述第一碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的5％-10％，和/或，所述第二硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的30％-40％，和/或，所述第二碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的10％-20％，和/或，所述第三硅碳层的厚度占所述硅碳复合材料层的厚度的20％-30％。
6.根据权利要求1所述的一种硅负极材料，其特征在于：所述多孔碳基体的粒径...
【专利技术属性】
技术研发人员：邬素月，宋鹏元，张顺，张钟元，徐建龙，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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