[发明专利]锂离子电池的负极材料及其制备方法

说明书

本发明提出了锂离子电池的负极材料及其制备方法。该负极材料具有核壳结构，形成核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，核壳结构的外壳由石墨烯形成。本发明所提出的负极材料，其核壳结构中硅颗粒与固态电解质相互均匀分散，并被石墨烯层包覆表面，可保证负极材料内部硅颗粒之间良好的离子导电率，从而可提高硅容量的发挥，并且改善倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的，本发明涉及锂离子电池的负极材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，对车用动力电池能量密度以及安全性能的要求在不断地提升。预计到2025年，动力电池能量密度需要达到500Wh/kg以上。为了实现动力电池能量密度的进一步突破，开发下一代新型电池体系已迫在眉睫。其中，固体电池体系因使用固态电解质材料取代现有的液态电解液和隔膜，从而使电池安全性得到极大提升。同时，固体电解质材料对锂金属负极具有良好的稳定性，并可抑制枝晶的生长，从而使固态电池获得更高的能量密度。因此，固态电池被认为是下一代高能量密度、高安全性动力电池的理想选择。

但是，固态电池匹配锂金属负极时仍存在明显的问题。例如现有的固态电解质特别是硫化物电解质对锂金属的稳定性较差，无法直接使用；固态电池内部电解质层不可避免存在一定的孔隙和颗粒间间隙，锂枝晶极易穿透这些间隙生长，最终造成电池短路；锂金属负极充放电过程中巨大的体积变化对界面稳定性带来极大的挑战，导致电池倍率、循环等性能均无法达到使用要求。

为快速地实现固态电池在能量密度上的突破，寻找高性能的负极替代锂金属负极成为了关键。硅负极，具有媲美于锂金属的比容量(3600mAh/g)，且化学性质稳定，而受到人们的极大关注，成为现阶段高能量密度固态电池用负极的首选。但是，硅负极同样存在一些问题，主要在于体积变化严重，硅负极体积膨胀率300％，在固态电池体系中同样会带来严重的界面问题；并且，硅负极循环性能差，其体积的反复变化导致材料颗粒破摔、脱落，同时消耗大量的电解液，形成较厚的固体电解质界面(SEI)层，最终造成电池阻抗增大、循环寿命下降。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种离子导电率高、硅容量发挥率更高且倍率性能更高的锂离子电池的负极材料。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种锂离子电池的负极材料。

根据本发明的实施例，所述负极材料具有核壳结构，形成所述核壳结构的内核的材料包括硅材料和固态电解质材料，所述核壳结构的外壳由石墨烯形成。

发明人经过研究发现，本发明实施例的负极材料，其核壳结构中硅颗粒与固态电解质相互均匀分散，并被石墨烯层包覆表面，可保证负极材料内部硅颗粒之间良好的离子导电率，从而可提高硅容量的发挥，并且改善倍率性能。

另外，根据本发明上述实施例的负极材料，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述硅材料包括单质硅和氧化硅中的至少一种，其中，所述单质硅包括单晶硅、多晶硅和无定型硅。

根据本发明的实施例，所述硅材料的颗粒尺寸为0.01～5微米。

根据本发明的实施例，所述固态电解质材料包括氧化物基固态电解质、硫化物基固态电解质和聚合物基固态电解质中的至少一种；其中，所述氧化物基固态电解质包括LLZO、LLTO、LLZTO、LATO、LATP、LAGP和LiPON，所述硫化物基固态电解质包括LGPS、LPS、LPSI和LPSCl，所述聚合物基固态电解质包括PEO、PPC、PS和PMMA。

根据本发明的实施例，所述氧化物基固态电解质的颗粒尺寸为0.01～5微米，所述硫化物基固态电解质的颗粒尺寸为0.01～5微米，所述聚合物基固态电解质的分子量为10～200万。

根据本发明的实施例，所述外壳的厚度为2～200纳米。