[发明专利]一种双层包覆型硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种双层包覆型硅基负极材料及其制备方法，所述负极材料由内向外依次包括核主体、包覆碳层和裹覆碳层；所述核主体为均匀排布的硅与硅酸盐，所述包覆碳层为无定型结构的致密碳，所述裹覆碳层为碳纳米管相互交错形成的多孔隙网络结构；所述负极材料中硅、硅酸盐、碳所占比例分别为40‑80％、10‑57％、1‑10％。本发明制备的双层包覆型硅基负极材料可有效减缓膨胀，提升材料的导电性，确保电池应用过程中具备高倍率性能，同时高导电性能可有效降低后端制浆过程中单壁碳纳米管的加入，进一步降低电池的制备成本。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种双层包覆型硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

当前市场对高容量和高倍率型锂离子电池的需求日益强烈。传统石墨由于其较低容量(372mAh/g)无法满足圆柱电池3Ah及以上(以18650为代表)的容量要求。硅负极由于具备更高容量(理论克容量为4200mAh/g)，搭配高镍正极材料电池容量可达到3.4Ah以上。然而硅在充放电过程中体积膨胀大以及循环过程中的SEI膜不断生成和消耗，导致电池出现循环性能差问题，最终影响其产业化进程。

针对上述问题目前采取的策略在于：硅纳米化制备、碳包覆以及构建低膨胀的混合结构。硅纳米化制备以气相沉积、物理研磨法两种为主，气相法成本虽高但制备的纳米硅晶粒尺寸更小，更有利于降低体积膨胀影响。碳包覆以固相和气相包覆为主，其中气相包覆可有效将基体材料包覆完整但损失率高成本大。低膨胀的复合结构主要包含多孔硅材料、核壳式硅基复合材料结构，其中核壳式复合结构由于材料致密程度更高成为当前应用的主流。虽然上述各类方法可一定程度上减缓硅负极应用过程中的问题，但由于嵌锂后的体积膨胀大、导电性差以及脱嵌锂过程中结构不稳定问题仍然无法有效解决。因此，开发一种低膨胀、高首效、低成本的硅基负极材料对于硅负极材料规模化应用具有重大意义。

发明内容

为了克服现有技术中硅基负极材料嵌锂后体积膨胀大、导电性差以及脱嵌锂过程中结构不稳定的技术问题，本发明提供一种双层包覆型硅基负极材料及其制备方法，制备得到的双层包覆型硅基负极材料可有效减缓膨胀，提升材料的导电性，确保电池应用过程中具备高倍率性能，同时高导电性能可有效降低后端制浆过程中单壁碳纳米管的加入，进一步降低电池的制备成本。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明第一方面提供一种双层包覆型硅基负极材料，所述负极材料由内向外依次包括核主体、包覆碳层和裹覆碳层；

所述核主体为均匀排布的硅与硅酸盐，所述包覆碳层为无定型结构的致密碳，所述裹覆碳层为碳纳米管相互交错形成的多孔隙网络结构；

所述负极材料中硅、硅酸盐、碳所占比例分别为40-80％、10-57％、1-10％。

本发明中核主体中的硅酸盐可以为纳米硅的膨胀提供缓冲空间；无定型结构的致密碳层，用于增加材料导电性的同时为颗粒提供膨胀应力空间；外层设置裹覆碳层，且裹覆碳层由碳纳米管相互交错形成，将裹覆碳层形成“牢笼结构”，其作用在于保持结构稳定的同时还能减缓膨胀的同时提高材料的导电性能；另外裹覆碳层的外表面上还有伸出的线状的碳纳米管，以及片状的石墨烯结构，可为颗粒脱嵌锂过程中提供抗应力膨胀，进一步降低材料整体膨胀。

作为一种可选的实施方式，本发明提供的双层包覆型硅基负极材料中，所述硅为纳米硅，纳米硅为晶态硅或无定型硅中的一种，所述晶态硅的尺寸为0.1-4nm。

作为一种可选的实施方式，本发明提供的双层包覆型硅基负极材料中，所述负极材料颗粒大小D50＝4-15um。

本发明中设置纳米硅为晶态硅或无定型硅，且尺寸为0.1-4nm，用于提供高容量的同时降低纳米硅整体的体积膨胀。

作为一种可选的实施方式，本发明提供的双层包覆型硅基负极材料中，所述包覆碳层为类石墨状结构，所述包覆碳层的碳层厚度为3-30nm。