[发明专利]一种负极复合材料及其应用

说明书

一种负极复合材料，其包括硅‑固体电解质复合材料，所述硅‑固体电解质复合材料包括活性硅颗粒和固体电解质，所述硅‑固体电解质复合材料被碳包覆或部分包覆。本申请的负极复合材料通过将活性硅颗粒和固体电解质进行复合，再进行表面碳层包覆，获得了具有快速导离子、长循环、低膨胀的含硅锂离子电池用负极复合材料。

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种负极复合材料及其应用。

背景技术

锂离子电池技术革新的一个方向就是不断提升能量密度。目前主流的石墨材料实际容量已接近理论容量(372mAh/g)，在提升能量密度方面已存在瓶颈。硅基负极材料因具有丰富的储备、超高的理论容量(4200mAh/g)、环境友好等优点而备受关注和研究。但是硅基负极材料在循环过程中存在的体积膨胀问题(300％以上)严重影响了硅基负极材料产业化应用的进程。针对于硅材料循环过程中体积膨胀大(120％～300％)、导电性能差(＜1S/m)、循环过程中副产物产生导致动力学性能不足导致的循环衰减快(400圈循环容量保持率低于80％)等问题。

目前，解决硅材料循环过程中体积变化大(120％～300％)和导电性差(＜1S/m)的主要方法是硅材料纳米化、硅材料与石墨或其他材料(金属或非金属)复合以及表面包覆等。但纳米材料比表面积大(小于100nm的材料比表面积可高达100m²/g)，会消耗更多的电解液形成SEI膜，造成首次库伦效率偏低，另外纳米材料制备困难，价格较高，这一系列特征限制纳米硅材料的进一步应用；另外利用碳包覆提升硅负极材料的导电性(普通硅材料碳包覆后电导率可提升至100S/m)，但一般CVD烃类气体包覆和固相沥青包覆等无法解决循环过程中膨胀导致的电接触失效。将硅基负极与导电性好的石墨进行混合使用也是一种解决导电性差和膨胀大的较好的方式，但是简单的机械混合并不能保证混合的均匀性，想要保证循环过程中石墨与硅基颗粒的接触还要依赖高粘结力的粘结剂，这样就会造成倍率性的降低。

发明内容

本申请的目的是提供一种负极复合材料，兼具低膨胀、良好的导离子速率和循环性能。

本申请第一方面提供了一种负极复合材料，其包括硅-固体电解质复合材料，所述硅-固体电解质复合材料包括活性硅颗粒和固体电解质，所述硅-固体电解质复合材料被碳包覆或部分包覆。

本申请中，硅-固体电解质复合材料为活性硅颗粒与固体电解质的互混状态，固体电解质穿插于活性硅颗粒之间，硅-固体电解质复合材料形成核，被碳所形成的的壳结构包覆或部分包覆，碳所形成的的壳结构也可称为碳包覆层。

发明人发现，本申请中，硅作为负极活性材料，拥有大的容量；固体电解质可以作为快速导离子相，加速锂离子的扩散，提升负极复合材料的导离子性能，此外，固体电解质还可以作为缓冲相，在循环过程中缓冲硅的体积膨胀，从而改善循环过程中的电芯膨胀；进一步地，将硅与固体电解质进行复合，减少了硅直接与电解液接触的面积，减少循环过程中副产物的积累，提升循环性能和循环过程中快充性能；在硅-固体电解质复合材料的表面包覆碳，可以进一步提高复合材料的导电性，还能抑制充放电过程中的体积膨胀；本申请的负极复合材料通过将硅和固体电解质进行复合，再进行表面碳层包覆，获得了具有快速传导离子、长循环、低膨胀的含硅锂离子电池用负极材料。

在本申请的一些实施方式中，所述负极复合材料的平均粒径D₁和所述活性硅颗粒的平均粒径D₂满足：2.5D₂≤D₁≤7D₂，发明人发现，当负极复合材料平均粒径和活性硅颗粒平均粒径的比值过大，单个负极复合材料颗粒中含有的活性硅颗粒数量过多，不利于Li离子扩散，循环性能、电芯膨胀和倍率性能恶化。

本申请中，所述“平均粒径”具有其公知的含义，即对于一个由大小和形状不相同的粒子组成的实际粒子群，与一个由均一的球形粒子组成的假想粒子群相比，如果两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际粒子群的平均粒径。