[发明专利]一种预锂化硅基材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种预锂化硅基材料及其制备方法和应用，该预锂化硅基材料的制备方法包括以下步骤：将硅基材料、引导剂、锂源混合均匀得到混合粉末，以103‑104℃/min的升温速率对混合粉末进行加热，使混合粉末的温度达到800‑1200℃，保温3‑20s后，快速冷却至室温即得到目标产物。本发明通过利用超快高温烧结技术结合加入引导剂对硅基负极进行固相预锂化，使其表面原位生成一层稳定的含Lisubgt;2/subgt;Sisubgt;2/subgt;Osubgt;5/subgt;相较多的硅酸锂包覆层，可以减少锂离子在首次循环过程中的损失，同时保持循环过程中材料的稳定性和锂离子的快速传输，最终实现高的首次库伦效率、优异的倍率性能和循环稳定性，同时节约能耗和提高预锂化效率。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，尤其是涉及一种预锂化硅基材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、安全可靠以及环境友好等诸多优点，已广泛应用于便携式电子、电动工具及医疗电子等领域。然而随着各科技领域的快速发展，人们对于锂离子电池能量密度的需求不断提升。为了开发具有高能量密度、长寿命和高安全的锂离子电池，选用高比容量硅基负极材料是一种重要的方法。但是，硅基材料单独作为电池负极存在下列问题：首先是硅基材料由于脱嵌锂的过程中会产生巨大的体积膨胀，从而造成活性材料的粉化和脱落，进而导致负极材料失去电活性而造成材料失活；第二个问题是硅基负极表面生成的SEI(solid electrolyte interface)膜不稳定，在持续的分解重构中会消耗大量的活性锂，最终引发电池容量的快速衰减。

固相预锂化是锂离子电池硅基负极常用的一种预锂化方法，这种预锂化能在硅基材料表面生成一层硅酸锂相的包覆层，从而提高电池首次库伦效率和循环稳定性。研究发现这种硅酸锂相包覆层主要包括Li₂SiO₃、Li₄SiO₄和Li₂Si₂O₅相，其中Li₂SiO₃相在作为主要的硅酸锂相可以作为负极活性材料储存多余的锂离子，但不能在其锂化状态之前先进行电化学脱锂，因此不能提高首次库伦效率；另外包覆层还含有Li₄SiO₄相和可逆的Li₂Si₂O₅相，不可逆的富锂Li₄SiO₄相的生成会造成大量的活性锂损失而导致首次库伦效率大幅降低，可逆的Li₂Si₂O₅相则可以在首次充放电过程中转化脱嵌锂从而提高首次库伦效率。另外可逆相的存在又会分解成为Li₂O，而Li⁺在Li₂O中的扩散速率比在硅酸锂盐中的扩散速率高出至少两个数量级。因此，它可以作为主要的Li⁺传输通道，进而提高硅基负极的容量和倍率性能。目前传统的固相预锂化方法采用的是缓慢的升温和长时间的保温过程，由于Li₂SiO₃、Li₄SiO₄相的生成温度较低，当升温速率较慢时，在低温会生成大量的Li₂SiO₃、Li₄SiO₄相，这会过度消耗锂源和硅基材料而造成预锂化效果降低、材料容量下降和首次库伦效率降低；而长时间的保温过程则会使这些硅酸锂相晶粒和硅基材料的晶粒过度生长，造成在电池首次库伦效率降低和循环性能变差。