[发明专利]一种硅基负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。硅基负极材料包括：氧化亚硅基质和碳原子，其中所述碳原子以原子级别均匀分布在氧化亚硅基质中；碳原子与硅原子结合形成无序的C‑S i键，X射线衍射能谱(XRD)中无S i C的结晶峰；所述硅基负极材料的X射线光电子能谱(XPS)中，C 1s能谱分峰后在283.5±1eV位置处有属于C‑S i键的结合峰；所述硅基负极材料颗粒的平均粒径D₅₀为1nm‑100μm，比表面积为0.5m²/g‑40m²/g；所述碳原子的质量占氧化亚硅基质质量的0.1％‑40％。本发明以气态处理所得超细的硅结合高导电的碳，形成了分子水平混合的无序C‑S i键结构，有利于减缓材料的体积膨胀，提升氧化亚硅内部的导电性，提升材料的快充性能。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

新能源汽车对更长续航里程的追求催促着高能量密度动力电池的不断发展。2020年11月发布的《新能源汽车产业发展规划(2021－2035年)》中提到，到2025年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20％左右。在高能量密度动力电池发展的道路上，动力电池正极采用高镍三元材料，而负极则配合使用硅基负极材料。随着硅基负极制备工艺的逐步成熟，硅基负极未来将迎来较为广阔的市场。

硅基负极材料主要可分为硅氧负极材料、硅碳负极材料及硅基合金负极材料。硅氧负极容量高、膨胀率相对较低、循环性能相较于其他硅基负极材料好。然而，氧化亚硅的电子导电性差，导致电池倍率性能较差。

为了改善氧化亚硅的倍率性能，业内常采用对其进行碳包覆的处理手段。专利申请CN104022257A在氧化亚硅粉末表面制备了均匀致密的导电碳层，提高了材料的导电特性，适合大倍率充放电。专利申请CN110034284A在硅基负极表面生长了碳纳米墙，改善了碳包覆膜在循环中开裂的问题，提高了材料的循环性能。可见碳包覆是一种常用的改善氧化亚硅表面导电性的方式。

但是氧化亚硅颗粒内部的导电性无法通过表面改性得到改善，面对未来应用中快速充电的实际需求，还需要对其内部导电性进行改善。

发明内容

本发明实施例提供了一种硅基负极材料及其制备方法和应用。该材料相比于传统氧化亚硅负极材料，能够有效提升材料内部的导电性，提升材料的快充性能，减缓材料的体积膨胀。

第一方面，本发明实施例提供了一种硅基负极材料包括：氧化亚硅基质和碳原子，其中所述碳原子以原子级别均匀分布在氧化亚硅基质中；碳原子与硅原子结合形成无序的C-Si键，X射线衍射能谱XRD中无SiC的结晶峰；所述硅基负极材料的X射线光电子能谱XPS中，C1s能谱分峰后在283.5±1eV位置处有属于C-Si键的结合峰；

所述硅基负极材料颗粒的平均粒径D₅₀为1nm-100μm，比表面积为0.5m²/g-40m²/g；所述碳原子的质量占氧化亚硅基质质量的0.1％-40％。

优选的，所述硅基负极材料的外部还具有碳包覆层；所述碳包覆层的质量占氧化亚硅基质质量的0-20％。

进一步优选的，所述碳原子的质量占氧化亚硅基质质量的0.5％-10％；所述碳包覆层的质量占氧化亚硅基质质量的0-10％。

第二方面，本发明实施例提供了上述第一方面所述的硅基负极材料的制备方法，包括：

按所需用量将硅和二氧化硅粉末混合均匀，并置于真空炉的第一坩埚中；

按所需用量将含碳有机物置于真空炉的第二坩埚中；

对真空炉进行减压加热，在减压至低于0.1托后，将第一坩埚升温至1300℃-1700℃，将第二坩埚升温至100℃-1000℃，反应1-10小时；