[发明专利]一种负极材料及其制备方法、负极片和锂离子电池

说明书

本申请提供了一种负极材料及其制备方法、负极片和锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本申请通过在纳米硅颗粒外包覆一层碳化硅层，得到硅基颗粒；将所述硅基颗粒和石墨进行粘结，得到硅碳颗粒；在所述硅碳颗粒外包覆一层碳包覆层，得到所述负极材料。由于碳化硅(SiC)属于共价结构，有较好的强度和韧性，通过在纳米硅颗粒外包覆碳化硅层，可以有效阻止硅与电解液直接接触，从而减少了副反应的发生，提升了固态电解质界面的稳定性，减少了电池充放电循环过程中容量损失，提升了电池的寿命，同时，通过包覆碳化硅层、石墨层及碳包覆层，可以减少在充放电过程中，硅材料的膨胀和粉末化。

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种负极材料及其制备方法、负极片和锂离子电池。

背景技术

现代社会和工业的发展进程中，绿色可持续能源正在迅速取代传统的化学能源，且趋势越来越明显。因此高能量密度、高比容量的锂离子电池的需求也愈发急迫。硅是一种有着非常高的理论质量比容量的负极材料，在高于100℃的时候，硅负极最终的嵌锂产物是Li₂₂Si₅，其理论比容量高达4200mAh g-1，是传统石墨负极的10倍以上。在低于85℃的时候，最终嵌锂产物是Li₁₅Si₄，其对应的理论比容量在3579mAh g-1。同时较低的工作电压(～0.1V，vs Li/Li+)以及较低的生产成本都使硅材料成为在锂电池负极材料上使用的热门选择。

然而，在实际应用时，由于硅在脱嵌锂过程中会产生剧烈的体积膨胀(300％)，晶体结构破坏导致材料粉化。另外，硅表面不稳定的固态电解质界面(SEI)导致首圈充放电的不可逆容量损失较大，容量衰减迅速，循环性能较差。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种负极材料及其制备方法、负极片和锂离子电池，以解决硅在脱嵌锂过程中会产生剧烈的体积膨胀(300％)，晶体结构破坏导致材料粉化，以及，硅表面不稳定的固态电解质界面(SEI)导致首圈充放电的不可逆容量损失较大，容量衰减迅速，循环性能较差的问题。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种负极材料制备方法，所述方法包括：

在纳米硅颗粒外包覆一层碳化硅层，得到硅基颗粒；

将所述硅基颗粒和石墨进行粘结，得到硅碳颗粒；

在所述硅碳颗粒外包覆一层碳包覆层，得到所述负极材料。

在一个可能的实施方式中，所述在纳米硅颗粒外包覆一层碳化硅层，得到硅基颗粒，包括：

将纳米硅颗粒放入回转窑中，保持所述回转窑中通入第一保护气体和目标气体的混合气体，所述目标气体为氢元素和碳元素组成的气体，高温烧结得到硅基颗粒。

在一个可能的实施方式中，所述第一保护气体选自氩气。

在一个可能的实施方式中，所述将所述硅基颗粒和石墨进行粘结，得到硅碳颗粒，包括：

将所述硅基颗粒、石墨和粘结剂放入溶剂中进行分散混合，得到硅碳颗粒混合液；

将所述硅碳颗粒混合液进行干燥，得到所述硅碳颗粒。

在一个可能的实施方式中，所述硅基颗粒、所述石墨及所述粘结剂的质量比例在30～50：35～65：5～15之间。

在一个可能的实施方式中，所述在所述硅碳颗粒外包覆一层碳包覆层，得到所述负极材料，包括：

将所述硅碳颗粒放入回转窑中，保持所述回转窑中通入第二保护气体和碳源，碳化烧结，得到所述负极材料。

在一个可能的实施方式中，所述碳源选自乙炔黑、沥青、葡萄糖、壳聚糖、蔗糖、淀粉、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)及聚氯乙烯(PVC)中的一种或多种。