[发明专利]硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，公开了硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池，所述硅碳负极材料具有核壳结构，所述核中包括含硅物质，所述壳中包括有机锂盐和多孔碳膜，其制备方法包括：(1)将硅源与碳源混合，然后焙烧；(2)将步骤(1)得到的焙烧产物与有机锂盐混合；(3)将步骤(2)混合得到的物料进行真空冷冻干燥。本发明所提供的硅碳负极材料可以提高负极材料的可逆容量，应用于锂离子电池中可以提高锂电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池。

背景技术

硅基负极材料理论比容量为4200mA·h·g^-1，是目前克容量最高的负极材料，一旦成功应用，能显著提升锂电池的能量密度，使得一次充电续航1000公里成为可能。然而，硅的充放电机理和石墨的充放电机理不同，充放电过程中Si与电解液中Li⁺在界面处会不断生成固体电解质(SEI)薄膜，这种不可逆SEI的形成大量消耗了电解液和正极材料脱出的Li，导致硅基负极材料首次库伦效率仅在65-5％之间，造成极大的容量损失。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。

为解决上述问题，科研人员采用掺杂、纳米化等工艺来提高硅基材料的综合电性能。公开号为CN101179126B的中国专利报道了一种用于锂离子电池的掺杂型硅基负极材料，其通过掺杂硼、铝、镓、锑和磷中至少一种元素，材料的库伦效率得到提升，但制备工艺复杂，成本较高，不易于规模制备，且综合电化学性能仍有待进一步提高。CN108172775A报道了一种磷掺杂的硅基负极材料，尽管实施例中磷掺杂的硅基负极比容量为610.1mAh/g时，首效为91.7％，但与对比例相比，材料的比容量和首效提升并不明显。CN103400971A报道了硅酸锂掺杂的硅碳负极材料，Si添加量为50％，Li₂SiO₃添加量为35％时，材料的比容量为1156.2mAh/g，首效为88.2％，该材料的循环稳定性和库伦效率仍有待提高。

因此，开发可逆容量高、首次库伦效率高、循环稳定性优异且制备过程简单可控，易于规模化生产的硅碳负极材料属于该领域的技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的硅基负极材料可逆容量低、首次库伦效率低的问题，提供一种硅碳负极材料、硅碳负极材料的制备方法和该制备方法制得的硅碳负极材料以及一种锂离子电池。本发明所提供的硅碳负极材料可以提高负极材料的可逆容量，应用于锂离子电池中可以提高锂电池的能量密度。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硅碳负极材料，所述核中包括含硅物质，所述壳中包括有机锂盐和多孔碳膜。

优选地，所述有机锂盐选自聚丙烯酸锂、聚甲基丙烯酸锂、聚马来酸锂、聚富马酸锂、羧甲基纤维素锂和海藻酸锂中的至少一种。

本发明第二方面提供一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅源与碳源混合，然后焙烧；

(2)将步骤(1)得到的焙烧产物与有机锂盐混合；

(3)将步骤(2)混合得到的物料进行真空冷冻干燥。

优选地，所述碳源选自石油沥青、煤焦沥青、天然沥青和改性沥青中的至少一种。

本发明第三方面提供上述制备方法制得的硅碳负极材料。

本发明第四方面提供上述硅碳负极材料在锂离子电池中的应用。

本发明第五方面提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括本发明提供的所述的硅碳负极材料、含有锂元素的正极材料、隔膜和电解液。