一种锂离子电池负极材料及其制备方法和一种锂离子电池技术

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和一种锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池电芯主要由正极片、负极片、隔膜和电解液组成，负极片的性能对锂离子电池的性能影响很大。近年来，将硅作为锂离子电池的负极材料制备负极进行了广泛细致地研究，其中，以无定形硅作为负极材料的性能较佳。另外，处于晶体和无定形之间的微晶态也可以作为负极材料。在充放电过程中，锂可以在硅中进行脱嵌。这种硅负极材料具有极高的比容量，理论容量可以达到4200mAh/g。但是，硅在脱嵌锂前后会产生巨大的体积变化，导致循环过程中负极材料破碎粉化而从集电体上脱落、或者集电体上产生褶皱使卷绕体电芯鼓胀，因此电池的循环性能较差。目前，用于改善硅负极锂离子电池的循环性能的方法较多。例如，可以用纳米硅颗粒或者硅的氧化物作为负极材料。但是纳米硅在充放电过程中会发生团聚，其循环性能仍然较差；而硅的氧化物中的氧会与锂离子反应生成不可逆的惰性相Li2O,降低电池的比容量。此外，现有技术中还有采用将硅粉体均匀分散于裂解碳、石墨等分散载体中，形成稳定均匀的硅碳复合体系。该硅碳复合体系中，通过将硅颗粒分散于具有弹性的碳母体中， 可以有效减少电极的体积变化，防止SEI膜因为体积胀缩而引起的破坏，同时还能防止硅颗粒团聚。但是由该硅碳复合体系制备得到的负极，由于裂解碳、石墨等分散载体的存在， 硅材料的高比容量性能无法完全发挥。另外，目前形成该硅碳复合体系主要通过物理混合制备而成，对硅原子的体积缓冲作用较小，电池的循环性能仍较差。
技术实现思路
本专利技术解决了现有技术中存在的硅负极锂离子电池中硅在脱嵌锂前后体积发生巨大变化导致电池的循环性能较差的技术问题。本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料是由热固性聚合物前驱体在低于1400°C的温度下碳化得到，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物或掺杂有机硅氧聚合物、掺杂有机硅氮聚合物；所述锂离子电池负极材料的通式为SixCyMz，其中M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0, y>0. 5χ,0<ζ<2χο本专利技术还提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，所述制备方法包括将热固性聚合物前驱体在低于1400°C的温度下进行碳化，得到所述锂离子电池负极材料；其中， 所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物、掺杂有机硅氧聚合物或掺杂有机娃氮聚合物。最后，本专利技术提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括电池壳体、电极组和电解液，电极组和电解液密封在电池壳体内，电极组包括正极片、隔膜和负极片，其中，所述负极片中采用的负极活性材料为本专利技术提供的锂离子电池负极材料。本专利技术提供的锂离子电池负极材料中，通过采用热固性聚合物前驱体在低于 14000C的温度下碳化得到，其通式为SixCyMz, M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0, y>0. 5x, 0〈z〈2x，其中大部分的Si原子以非+4价态存在，用于与锂离子发生可逆反应，保证本专利技术的锂离子电池负极材料具有较高的比容量；部分C原子相互联结形成类似于石墨烯的片层结构，这些片层结构的C原子团又相互交错，从而提供良好的电子通道，提高所述锂离子电池负极材料的电导率；，剩余的以+4价态存在的Si原子与剩余的C原子和M原子形成稳定的S1-C键和S1-M键，从而形成负极材料骨架结构，能有效缓解嵌脱锂过程中硅原子的体积膨胀，从而保持负极材料整体的结构稳定性；因此，采用本专利技术提供的负极材料的锂离子电池具有良好的循环性能。附图说明图1为实施例1制备的锂离子电池负极材料SI的嵌/脱锂曲线。图2为实施例1制备的锂离子电池负极材料SI的放大倍率为10000倍的SEM图。图3为实施例2制备的锂离子电池负极材料S2的放大倍率为20000倍的SEM图。图4为实施例3制备的锂离子电池负极材料S3的放大倍率为20000倍的SEM图。具体实施方式本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料是由热固性聚合物前驱体在低于1400°C的温度下碳化得到，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物或掺杂有机硅氧聚合物、掺杂有机硅氮聚合物；所述锂离子电池负极材料的通式为SixCyMz，其中M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0, y>0. 5χ,0<ζ<2χο本专利技术提供的锂离子电池负极材料中，通过采用热固性聚合物前驱体碳化得到， 其通式为SixCyMz, M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0, y>0. 5χ,0<ζ<2χο所述锂离子电池负极材料中，所述Si原子中部分以+4价状态存在，其余以非+4价状态存在。其中， 以以非+4价状态存在的Si原子用于与锂离子发生可逆反应，保证本专利技术的锂离子电池负极材料具有较高的比容量。而以+4价状态存在的Si原子与M原子以及部分C原子完全成键，组成负极材料的骨架结构，保证了材料在嵌/脱锂过程中整体结构的稳定性，从而确保了材料具有优良的循环性能。通常地，所述所述锂离子电池负极材料中，以非+4价状态存在的Si原子数占Si原子总数的比例> 10%。本专利技术中，优选情况下，所述锂离子电池负极材料中，以非+4价状态存在的Si原子数占Si原子总数的比例> 50%。所述锂离子电池负极材料中，部分C原子相互联结形成类似于石墨烯的片层结构，这些片层结构的C原子团又相互交错，从而提供良好的电子通道，提高所述锂离子电池负极材料的电导率；另外，剩余的以+4价态存在的Si原子与剩余的C原子行程稳定的S1-C 键，能有效缓解Si 原子与锂离子反应时的体积效应，从而提高采用该负极材料的锂离子电池的循环性能。因此，所述锂离子电池负极材料中Si原子与C原子形成的S1-C共价键总数小于硅原子数的四倍，即所述负极材料中的Si原子不能完全与C原子成键使Si全部以碳化硅结构存在；否则负极材料中不含有用于嵌脱锂的活性Si原子，无法保证锂离子电池的比容量。优选情况下，所述锂离子电池负极材料中Si原子与C原子形成的S1-C共价键总数小于硅原子数的两倍。本专利技术中，所述M为VA族和VIA族元素的一种或多种。例如，M可以选自O、S、 Se、Te、N、P、As、Sb中的一种或多种。由于本专利技术中，所采用的热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物、掺杂有机硅氧聚合物或掺杂有机硅氮聚合物，因此，所述M 中含有O元素或N元素的至少一种。本专利技术的专利技术人认为，通式SixCyMz中，M选自VA族和 VIA族元素中的其它元素，例如S时，其也能与部分Si原子成键，形成含有S1、C、S的化合物，并用作锂离子电池的负极材料。具体地，本专利技术中，M元素的原子对整个负极材料的结构稳定性提供帮助，其通过与部分Si原子成键，，组成负极材料的骨架结构，从而为嵌脱锂过程中的活性Si原子提供体积变化的缓冲空间，因而能有效缓解Si原子与锂离子反应时的体积效应，保证本专利技术的负极材料的整体结构稳定性，进一步提高锂离子电池的循环性能。优选情况下，M选自O元素、N元素中的任意一种或其组合。因此，本专利技术提供的所述锂离子电池负极材料中，Si原子不能完全与M元素对应的原子成键，即S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料是由热固性聚合物前驱体在低于1400℃的温度下碳化得到，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物、掺杂有机硅氧聚合物或掺杂有机硅氮聚合物；所述锂离子电池负极材料的通式为SixCyMz，其中M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0，y>0.5x，0

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料是由热固性聚合物前驱体在低于1400°C的温度下碳化得到，所述热固性聚合物前驱体选自有机硅氧聚合物、有机硅氮聚合物、掺杂有机硅氧聚合物或掺杂有机硅氮聚合物；所述锂离子电池负极材料的通式为SixCyMz，其中M为VA族和VIA族元素的一种或多种，x>0, y>0. 5x,0<z<2xo2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料中，以非+4价状态存在的Si原子数占Si原子总数的比例> 50%。3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料中Si原子与C原子形成的S1-C共价键总数小于硅原子数的两倍。4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，M为VIA族元素中的一种，所述锂离子电池负极材料中的Si原子与M原子形成的S1-M 二价键的总数小于硅原子数的一倍。5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，M为VA族元素中的一种，所述锂离子电池负极材料中的Si原子与M原子形成的S1-M三价键的总数小于硅原子数的2/3 倍。6.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，M为O元素、N元素中的任意一种或其组合。7.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，0.8x<y<4x,0.05x〈z〈0. 5x。8.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述热固性聚合物前驱体由含有可聚合基团的硅氧烷单体或含有可聚合基团的硅氮烷单体进行聚合反应得到。9.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述热固性聚合物前驱体由含有可聚合基团的硅氧烷单体或含有可聚合基团的硅氮烷单体与掺杂物混合后进行聚合反应得到；所述掺杂物能够溶解于所述含有可聚合基团的硅氧烷单体或含有可聚合基团的硅氮烷单体中；或者，所述掺杂物能够被所述含有可聚合基团的硅氧烷单体或含有可聚合基团的硅氮烷单体浸润并均匀分散。10.根据权利要求9所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述掺杂物选自聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚苯胺、碳纳米管、多孔碳、膨胀石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁桂海，李世彩，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：