[发明专利]一种硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池负极

说明书

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体提供了一种硅基复合负极材料，包括内核、第一壳层和第二壳层，所述第一壳层包覆所述内核，所述第二壳层包覆所述第一壳层；所述内核包括硅碳复合材料；所述第一壳层包括无定形碳层；所述第二壳层包括导电聚合物层。同时，本发明还公开了上述硅基复合负极材料的制备方法和包括上述硅基复合负极材料的锂离子电池。本发明提供的硅基复合负极材料能够有效约束内核的体积膨胀，构建稳定的固液界面，形成稳定的SEI膜，提高锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池负极。

背景技术

当前，商业化的锂离子电池负极材料主要采用石墨类负极材料，但其理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来更高比能量及高功率密度锂离子电池发展的要求。因此，寻找替代碳的高比容量负极材料成为一个重要的发展方向。由于具有最高的储锂容量(理论比容量4200mAh/g)和丰富的资源，硅材料被认为最有潜力有望成为下一代锂离子电池负极材料。然而，由于在嵌/脱锂过程中较大的体积变化带来的硅材料结构破坏和材料粉化，会导致电极结构破坏，造成硅活性组分丧失电接触。此外材料的粉化和巨大的体积变化，会造成SEI膜的不断生成，从而导致电池的电化学循环稳定性较差，阻碍了硅材料作为锂离子电池负极材料的规模化应用。

为解决硅负极材料在应用中存在的问题，目前研究者们主要通过硅的纳米化手段来减小硅的绝对体积膨胀，避免材料粉化。但单纯的纳米化无法解决纳米硅在循环过程中的“电化学烧结”和加剧的副反应造成的SEI膜不断生成的问题。因此必须采用纳米化和复合化相结合的手段，通过构筑多元多层次复合材料的方法来解决硅在实际应用中存在的各种问题。目前报道的大部分硅碳负极材料大多为表面包覆处理的核壳结构，内核为疏松多孔的结构，多孔结构通过提供硅膨胀需要的空间来维持内核的形貌。然而这种结构内部孔隙率过大，虽然有利于改善材料的循环稳定性，但材料不耐压，包覆层强度低，多次循环后包覆层开裂，仍然会不断消耗电解液来形成SEI膜，进而降低了电池的循环寿命。此外，负极材料的电子及锂离子传输性能不佳，也会影响材料倍率性能。因此，为满足新一代高比能锂离子电池对能量密度、循环寿命和倍率特性的要求，必须同时提高硅碳负极材料的容量、振实密度和倍率性能，同时减少循环过程中电解液的消耗，建立稳定的固/液界面。

专利文献CN108258230A公开了一种锂离子电池用中空结构硅碳负极材料，负极材料的内部为中空结构，并且负极材料的壁层包括内壁和外壁，内壁由纳米硅和低残碳碳源均相复合形成，外壁为有机裂解碳源形成的碳包覆层；该结构中，内壁的低残碳碳源石墨化程度低，导电性差，势必影响材料的倍率特性；伴随硅的体积膨胀硅容易丧失电接触，影响了材料的循环稳定性；最外层的碳包覆层强度较低，在多次循环充放电或极片高压实设计条件下容易发生破裂，无法形成稳定的SEI膜。

专利文献CN103682287A公开了一种内嵌复合核-壳结构的高压实密度的锂离子电池硅基复合负极材料，该发明采用机械研磨、机械融合、各向同性加压处理与碳包覆技术相结合的方式实现了硅碳复合材料的制备。其中提及的机械研磨制备空心化石墨的过程过于理想，实际过程容易造成石墨破碎而非空心化；同性加压和高温碳化后再进行破碎处理很容易造成表面包覆层的破坏，无法达到理想的核壳结构；颗粒体积膨胀大，碳包覆层强度低，循环过程中会发生破裂，无法形成稳定的SEI膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有壳核型硅基负极材料存在包覆层强度低、无法形成稳定SEI膜的问题，提供了一种硅基复合负极材料及其制备方法、锂离子电池负极。

为解决上述的技术问题，一方面，本发明实施例提供了一种硅基复合负极材料，包括内核、第一壳层和第二壳层，所述第一壳层包覆所述内核，所述第二壳层包覆所述第一壳层；

所述内核包括硅碳复合材料；

所述第一壳层包括无定形碳层；

所述第二壳层包括导电聚合物层。