[发明专利]一种含有金属元素梯度掺杂的负极材料及其应用

说明书

本发明涉及一种含有金属元素梯度掺杂的负极材料及其应用，其中，负极材料包括具有金属元素M梯度掺杂的颗粒状氧化亚硅/M复合材料；所述氧化亚硅的通式为SiOx，其中0x2；所述金属元素M包括Na、Mg、Al、Li、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种或几种；所述负极材料中，金属元素M的含量从表面到核心逐渐减少，呈连续浓度梯度的掺杂分布；所述氧化亚硅/M复合材料的化学通式为SiMsubgt;y/subgt;Osubgt;z/subgt;，其中0y10，0z10。

技术领域

本发明涉及二次电池材料技术领域，尤其涉及一种含有金属元素梯度掺杂的负极材料及其应用。

背景技术

随着锂离子电池在动力领域的应用，人们对二次电池性能的需求日益增加。为了提高能量密度，开发更高容量的正极、负极活性材料成为了主要集中的研发方向。目前商业上主要研发的高能量密度的负极材料为硅基负极。硅负极理论上表现出4200mAh/g的超高容量，但是在脱嵌锂过程中，伴随着约300％的体积膨胀，为其实际应用带来了巨大的问题。氧化亚硅(S iOx)相比硅单质容量小，但是对于缓解体积膨胀提高电池的循环寿命有着明显的优势。不过，氧化亚硅在首周嵌锂时，锂与二氧化硅反应会生成不可逆的锂氧化物，导致锂的损失，首圈充放电效率下降到75％以下。另外，虽然相比于硅的体积膨胀小，但是氧化亚硅也存在较为明显的体积膨胀。

为了提高氧化亚硅的首效，减缓体积膨胀，目前常用预理化或掺杂其他元素的方式对其进行改进。但具体的预锂化、掺杂方式的实施和所用材料的选择，带来的改进效果也是不同的。到目前为止，循环性能差仍是制约氧化亚硅产业化的主要原因。提高氧化亚硅的首效，缓解脱嵌锂前后的体积膨胀是目前主要攻克的方向。

发明内容

本发明实施例提供了一种含有金属元素梯度掺杂的负极材料及其应用，负极材料具有浓度梯度掺杂的金属元素M，能够提高氧化亚硅的循环性能；而从内到外浓度逐渐增加的梯度掺杂，为氧化亚硅颗粒的膨胀提供缓慢释放压力的空间，减缓应力的积累，有助于缓解体积膨胀带来的消极影响，提高材料的循环性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种含有金属元素梯度掺杂的负极材料，所述负极材料包括具有金属元素M梯度掺杂的颗粒状氧化亚硅/M复合材料；

所述氧化亚硅的通式为SiOx，其中0x2；

所述金属元素M包括Na、Mg、Al、Li、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn中的一种或几种；所述负极材料中，金属元素M的含量从表面到核心逐渐减少，呈连续浓度梯度的掺杂分布；

所述氧化亚硅/M复合材料的化学通式为SiM_yO_z，其中0y10，0z10。

优选的，所述金属元素M在负极材料中的平均掺杂质量占所述负极材料总质量的5％-40％；

其中，所述金属元素M的含量从表面的30％-50％到核心的0-20％呈连续浓度梯度递减。

进一步优选的，所述金属元素M的掺杂区域为由内向外占据负极材料颗粒半径[0-20％]至100％的区域。

优选的，所述负极材料的颗粒平均粒径(D₅₀)为0.1-40μm；所述负极材料的颗粒比表面积为1m²/g-40m²/g。

优选的，所述负极材料还包括：包覆在氧化亚硅/M复合材料颗粒外表面的碳质包覆层。

第二方面，本发明实施例提供了一种负极片，包括上述第一方面所述的负极材料。

第三方面，本发明实施例提供了一种锂电池，包括上述第一方面所述的负极材料。