[发明专利]一种改进的硅基复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种改进的硅基复合负极材料，包括氧化亚硅核心层和碳包覆外壳层，0≦Isubgt;500‑A/subgt;≦0.2，0Isubgt;500‑B/subgt;/Isubgt;500‑C/subgt;＜6；其中Isubgt;500‑A/subgt;表示拉曼面扫成像晶型硅的特征峰强度在500以上的分布占比；Isubgt;500‑B/subgt;表示拉曼面扫成像碳材料的特征峰D峰强度在500以上的分布占比；Isubgt;500‑C/subgt;表示拉曼面扫成像碳材料的特征峰G峰强度在500以上的分布占比。通过控制三次包覆温度和气源的不同，包覆工艺中联合间歇和连续通气法，能够将内核硅基材料均匀的包覆在碳层内，形成的碳层均匀致密且具有一定的缺陷，有利于形成稳定的双电层结构，在充放电过程中形成稳定的界面层，以改善硅基复合负极材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种改进的硅基复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对电动汽车续航里程和便携式电子设备续航时间的需求日益增长，锂离子电池的能量密度亟需进一步提升。锂离子电池能量密度主要由正负极活性材料决定。目前商业化的负极材料主要是碳材料，其理论比容量较低，约为372mAh/g^-1,而硅因具有高的理论比容量(约3579mAh/g^-1)而受到越来越多的关注，它被认为是最有可能替代石墨负极的材料之一。

硅负极材料在脱嵌锂的过程中会产生约300%的体积变化，使得硅基复合材料表面的固态电解质膜发生反复破裂，进而反复的消耗锂盐生成新的固态电解质膜，最终会导致电池容量持续下降，材料结构的破碎和粉化，严重影响电池的循环性能。

利用多层碳包覆硅基复合材料来改善硅基材料导电性和体积膨胀效应的研究技术已经非常成熟，特别是采用化学气相法在硅基材料表面沉积碳层的方法已经广泛产业化，但是仍然面临着碳层包覆不完整的问题，容易造成硅基材料的溶出，材料导电性的降低以及脱嵌锂过程中材料表面成膜的稳定性，进而影响硅基复合材料的电性能发挥。并且在气相沉积过程中，采用的气体种类、温度和包覆工艺的不同对沉积碳层的缺陷位置和数量有明显的影响，可以通过控制碳层缺陷来形成需要的活性反应位点，有利于电子的传输过程。

发明人在前的专利CN202310667268.X通过三次碳包覆，筛选合适的碳包覆气体和工艺参数，保证了碳层包覆氧化亚硅材料的包覆均匀性，并且是有一定程度的碳层缺陷，可有效地提升了锂离子电池负极材料的锂离子扩散系数。但是该专利是通过点扫拉曼的方式只能测试单个颗粒的表面碳层包覆情况，并不能很好地反映硅基材料的整体碳包覆情况，而本发明采用拉曼面扫来检测一定面积内所有硅基材料的碳层包覆情况，能够比较准确的控制所需包覆碳层的缺陷和包覆完整性情况，进而充分发挥复合材料在充放电过程中的容量，提高复合材料的循环性能。

发明内容

为了进一步改善碳包覆硅基复合材料的电化学性能，提升锂离子电池整体性能，本发明的利用拉曼面扫成像作为表征碳层包覆氧化亚硅材料的碳层包覆均匀性和碳层缺陷情况，提供了一种三层碳包覆的硅基复合材料，采用三种不同包覆温度的气源，以及间歇通气和连续通气相结合的包覆工艺对硅基材料进行化学气相沉积碳层。硅基复合材料从内层到外层依次包括硅基材料和三种不同温度的气源碳包覆层。高中温气源沉积碳层采用间歇通气的工艺，通过间歇通气法使得通入炉内的气体有充足的反应时间，来保证碳沉积的均匀致密性，低温碳源的沉积需要采用连续通气的工艺，以达到形成具有一定缺陷的碳层的目的，有助于充放电过程中电子的传输；故本发明的三层碳层包覆后的硅基复合材料循环性能有明显提升。