[发明专利]硅碳材料、二次电池和电子装置

说明书

本申请提供了一种硅碳材料、二次电池和电子装置。本申请的硅碳材料包括金属有机框架材料以及位于该金属有机框架材料上的硅基物质和金属元素，其中，基于硅碳材料的质量，硅基物质的质量含量为15％至35％，金属元素的质量含量为0.5％至5％。本申请的硅碳材料能够有效提升负极活性材料的比容量、并且减少其对于首效带来的负面影响，进而改善循环和膨胀性能，从而提高二次电池的能量密度和倍率性能。

技术领域

本申请涉及储能领域。具体地，本申请涉及一种硅碳材料、二次电池和电子装置。

背景技术

锂离子电池作为一种新型高能绿色电池，被广泛地应用于笔记本电脑、移动电话和新能源电动车等领域。目前负极材料如人造石墨本身的容量提升已达到瓶颈，难以满足持续增长的能量密度需求。硅基材料虽然相比于人造石墨具有显著的储锂容量优势，但其较低的电导率以及在充放电过程中随着锂离子嵌入和脱出巨大的体积膨胀，严重制约了硅基材料在锂离子电池中的大规模应用。

将硅包覆于金属有机框架材料(Metal Organic Framework，简称MOF)衍生的碳材料中，理论上能够很大程度上改善以上问题。MOF衍生的碳材料的结构稳定，可以作为Si体积膨胀的缓冲基体，提高其电子导电性并稳定硅基负极的SEI膜；硅材料作为活性物质，有助于提高储锂容量。但目前公开的大多申请本质上还是在纳米硅的表面生长MOF，此办法难以保证MOF完全生长在纳米硅的表面，晶体生长过程中的成核点难以控制。而为了使MOF生长在纳米硅表面，通常会对纳米硅进行表面修饰，制备纳米硅和表面修饰的过程费用昂贵，不利于放大生产。此外，常规包覆方式很难保证包覆的碳材料具有足够的韧性，来抑制硅负极在合金反应中高达300％的体积膨胀。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本申请提供一种硅碳材料及包括该硅碳材料的二次电池，以提高包括该硅碳材料的负极活性材料的比容量、并且减少其对于首效带来的负面影响，改善循环和膨胀性能，从而提高二次电池的能量密度和倍率性能。

本申请的第一方面提供了一种硅碳材料，其包括金属有机框架以及位于该金属有机框架上的硅基物质和金属元素，其中，基于硅碳材料的质量，硅基物质的质量含量为15％至35％，金属元素的质量含量为0.5％至5％。本申请的硅碳材料通过在金属有机框架上负载特定含量的硅基物质和金属元素，一方面，金属有机框架具有丰富的孔结构以及良好的导电性，能够保证硅体积膨胀有足够的空隙空间限制，有效降低硅碳材料的膨胀。同时，金属有机框架的孔道结构还可减少硅基物质直接与电解质接触，减少其不良副反应，提升循环性能。另一方面，合适的硅基物质含量还能够降低金属有机框架本身在脱嵌锂过程中的电位，提升硅碳材料的能量密度，进而使得二次电池兼具高的能量密度和优异的倍率性能。

在一些实施方式中，硅基物质的质量含量为20％至30％。硅基物质的含量过低时，硅元素不足以来降低金属有机框架本身在脱嵌锂过程中的电位，进而影响硅碳材料的能量密度以及循环性能。硅基物质的含量过高时，虽然硅碳材料的能量密度大幅提升，但硅含量过高也会导致其倍率性能和循环性能的下降，膨胀性能也明显下降。

在一些实施方式中，金属元素的质量含量为1％至3％。金属元素的含量过低时，在硅碳材料在合成过程中不利于硅基物质的沉积，进而使得硅基物质的含量降低，影响硅碳材料的能量密度以及循环性能。金属元素的含量过高时，硅基物质的含量相应地升高，会导致硅碳材料的倍率性能和循环性能的下降，膨胀性能也会受到影响。

在一些实施方式中，基于硅碳材料的质量，碳元素的质量含量为65％至85％。在一些实施方式中，碳元素的质量含量为70％至80％。

在一些实施方式中，硅碳材料的Dv50满足：5μm≤Dv50≤15μm。硅碳材料的Dv50过小时，材料容易发生团聚，不利于硅碳材料首次效率的提升，同时其倍率、循环和膨胀性能也会受到影响。硅碳材料的Dv50过大时，硅基物质在金属有机框架材料上沉积不均匀，同样不利于硅碳材料的首次效率和膨胀性能。在一些实施方式中，硅碳材料的Dv50满足：7μm≤Dv50≤11μm。