[发明专利]一种多层复合负极材料及其制备方法和负极片、锂电池

说明书

一种多层复合负极材料及其制备方法和负极片、锂电池，该多层复合负极材料的制备步骤如下：以硅、二氧化硅、碳为原料制备多层前驱体，将硅材料与粘结剂混合后得到第一前驱体层混合物，将二氧化硅、碳材料和粘结剂混合后得到第二前驱体层混合物，将碳材料与粘结剂混合后得到第三前驱体层混合物；将第一、第二、第三前驱体层混合物按照硅层、二氧化硅/碳混合层、碳层的顺序模压成型后进行烧结处理，得到多层前驱体；将多层前驱体中的二氧化硅还原为单质硅，得到多层复合负极材料。本发明可以在首次充放电过程中生成更加致密的固体电解质界面膜，同时抑制硅材料在充放电过程中发生的体积膨胀效应，从而提高电池的首次效率、负极比容量及电池循环性能。

技术领域

本发明属于动力锂离子电池技术领域，尤其涉及一种动力锂离子电池的复合负极材料。

背景技术

随着新能源电动汽车应用的普及，人们对动力电动车的续航能力要求越来越高。在动力电池上使用高比容量的正、负极材料对改善电池的续航能力有着极为重要的作用。目前，锂离子动力电池负极材料主要为石墨类材料，石墨的理论比容量为372mAh/g，现阶段已量产的石墨类负极材料的比容量已经达到360mAh/g以上，基本达到石墨材料的上限，难以满足现阶段人们对高能量密度电池的需求。

近年来，具有高比容量的各种新型负极材料不断被开发出来。其中，硅材料由于具有高比容量、资源丰富，以及与碳材料电位相近等优点，成为了新型锂离子电池负极材料的研究热点。但是硅材料在高程度脱/嵌锂下存在着严重的体积效应(体积膨胀大于400％)，会导致硅颗粒破裂粉化，造成负极材料结构坍塌、与导电网格脱离，内阻急剧增加，最终导致负极材料的比容量衰减迅速，电池的循环性能变差。

为了改善硅材料存在的体积膨胀问题以及改善电极材料的导电性，公开号为CN108110233A的中国发明专利申请公开了一种碳硅复合材料，该碳硅复合材料使用二氧化硅和碳作为初始材料，将两种材料混合并烧结后得到前驱体，然后将前驱体中的二氧化硅还原为单质硅，制得碳硅复合材料。该复合材料将单质硅和碳材料复合在一起后，可以减缓电极材料的体积膨胀问题，在一定程度上提高了电池的首次充放电效率和能量密度、增大了电池的比容量，但仍存在改善的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高比容量、高首效及长循环寿命的由硅、二氧化硅、碳组成的多层结构的负极材料及其制备方法，以及使用该负极材料的负极片和锂电池。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种多层复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

以硅材料、二氧化硅、碳材料为原料制备多层前驱体，将硅材料与粘结剂混合后得到第一前驱体层混合物，将二氧化硅、碳材料和粘结剂混合后得到第二前驱体层混合物，将碳材料与粘结剂混合后得到第三前驱体层混合物；

将所述第一前驱体层混合物、第二前驱体层混合物、第三前驱体层混合物按照硅层、二氧化硅/碳混合层、碳层的顺序模压成型；

将模压成型的混合物进行烧结处理，得到多层前驱体；

将多层前驱体中的二氧化硅还原为单质硅，得到多层复合负极材料。

进一步的，所述硅材料的质量百分比为2％～35％，二氧化硅材料的质量百分比为3％～75％，碳材料的质量百分比为20％～94％。

进一步的，所述硅材料为纳米线硅，和/或所述碳材料为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球中的一种或几种的混合物。

进一步的，将所述第一前驱体层混合物、第二前驱体层混合物、第三前驱体层混合物分别在5MPa～36MPa的压力下模压成片状，按照硅层、二氧化硅/碳混合层、碳层的顺序叠放压制成多层混合体。

进一步的，烧结处理的步骤为：将混合物在惰性气氛或者真空条件下，于600℃～1400℃的温度烧结1～36小时。