[发明专利]一种硅氧负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅氧负极材料及其制备方法和应用，包括：多孔陶瓷、氧化亚硅和掺杂元素;其中,以多孔陶瓷作为骨架，氧化亚硅和掺杂元素通过液相法或固相法均匀弥散分布在多孔陶瓷的孔隙内；掺杂元素包括金属掺杂元素和/或非金属掺杂元素；金属掺杂元素包括:一种或多种Al、Na、Li、Mg、Ca、Ti、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Ge、Sn任意一种掺杂元素的物质；非金属掺杂元素包括:一种或多种B、N、P、S、C、As、Se任意一种掺杂元素的物质；本发明的硅氧负极材料具有低体积膨胀、高循环和高初始效率的特性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，特别涉及一种硅氧负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为最重要的能量存储系统之一，锂离子电池已经广泛应用在便携式电子设备和电动汽车等领域。而作为锂离子电池负极材料，硅氧负极由于较高的理论容量和更加安全的锂化电位，具有广阔的应用前景。

由于锂的合金化储锂机制，硅氧负极在充放电过程中会发生巨大的体积变化（高达～160%），容易造成活性物质破裂、电极结构粉碎和活性物质剥落等问题，导致容量损失；脱锂/嵌锂过程中形成不稳定的SEI膜，也导致容量损失。此外，硅氧负极材料还面临着较低的首周库伦效率(ICE)和固有电导率低等问题。

发明内容

本发明提供了一种硅氧负极材料及其应用，目的是解决氧化亚硅负极材料的较大的体积膨胀率、导电性差、首次库伦效率低和电池循环性能差等问题，本发明通过将多孔陶瓷、氧化亚硅和掺杂元素通过液相或固相的方式进行复合，得到以多孔陶瓷为骨架，氧化亚硅、和掺杂元素在多孔陶瓷孔隙之中的硅氧负极材料。因多孔陶瓷骨架具有较高的机械强度和硬度，在受到嵌锂的膨胀力时，一方面多孔结构能为氧化亚硅的膨胀预留空间；另一方面，高强度的多孔陶瓷骨架结构可以有效抑制氧化亚硅的体积膨胀，保持负极材料的结构稳定。同时，掺杂的金属元素和氧化亚硅材料中的二氧化硅反应形成金属硅氧复合体，一方面可以显著提高电池的首周库伦效率；另一方面形成的惰性物质金属硅氧复合体也可以减缓体积膨胀。掺杂的非金属元素也可以加速锂离子的内部传导速率，提高氧化亚硅的导电性能，从而实现了电池的低体积膨胀、高循环和高首效。

第一方面，本发明实施例提供了一种硅氧负极材料，所述硅氧负极材料包括：多孔陶瓷、氧化亚硅和掺杂元素;

其中,以所述多孔陶瓷作为骨架，所述氧化亚硅和掺杂元素通过液相法或固相法均匀弥散分布在所述多孔陶瓷的孔隙内；

所述掺杂元素包括金属掺杂元素和/或非金属掺杂元素；

所述金属掺杂元素包括: 一种或多种Al、Na、Li、Mg、Ca、Ti、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Ge、Sn任意一种掺杂元素的物质；

所述非金属掺杂元素包括: 一种或多种B、N、P、S、C、As、Se任意一种掺杂元素的物质；

所述掺杂元素占所述氧化亚硅质量的百分比为0.1%-20%。

优选的，所述多孔陶瓷包括：多孔SiC、多孔氮化硅、多孔氮化镓、多孔氮化钛、多孔氮化硼中的一种或多种；所述多孔陶瓷的粒径Dv50在500nm -100μm之间；所述多孔陶瓷的孔隙的孔径在200nm- 20μm之间；所述多孔陶瓷的孔隙率在30%-90%之间；

当所述掺杂元素的物质为固体时，所述掺杂元素的物质的颗粒粒径Dv50在0.5nm-10μm之间。

优选的，所述掺杂元素占所述氧化亚硅质量的百分比为0.5%-10%；

所述氧化亚硅和所述掺杂元素的总质量占所述硅氧负极材料总质量的百分比为50%-90%；所述多孔陶瓷占所述硅氧负极材料总质量的百分比为10%-50%。

优选的，所述硅氧负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅氧负极材料总质量的百分比为0-20%。