[发明专利]硅负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，并且更具体地，涉及一种硅负极材料及其制备方法、负极极片以及锂离子电池。

背景技术

锂离子石墨负极材料具有循环寿命长、首效高、成本低、环境友好以及易于加工等多种优点，使得该材料在便携式电子设备、电动车以及储能领域得到了广泛的应用，但是石墨的理论容量比较低(约372mAh/g)、与电解液相容性差、倍率特性不好。而硅材料由于具备较高的理论容量(4200mAh/g)、良好的嵌入/脱嵌能力而成为最有前景的新型高效储锂负极材料，但是硅材料在锂离子嵌入/脱出时体积变化超过300％，体积变化时会产生较大的机械应力，导致硅材料容易从负极集流体上脱落，这种体积变化的特点极大地限制了硅材料的应用。中国专利1(201210334388.X)公开了一种核壳结构的锂离子电池负极用聚苯胺/硅复合材料的制备方法，该复合材料具备双层核壳结构，核心材料为纳米硅，第一层核壳材料为铜和碳，第二层核壳材料为聚苯胺，在第一层核壳材料和第二层核壳材料之间存在空心缓冲体积，这种复合材料通过第一层和第二层核壳材料之间的空心缓冲体积来缓冲硅材料在充放电的过程中的体积变化。但是在该复合材料的制作工艺复杂并且不具备快充性能。

发明内容

本申请提供了一种硅负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池，以提高该硅负极材料用作电池负极时的快充性能。

第一方面，提供了一种硅负极材料，所述硅负极材料包括：硅内核以及包覆在所述硅内核表面的缓冲包覆层和第一包覆层，其特征在于，所述第一包覆层为碳材料形成的包覆层，所述碳材料包含下列掺杂元素N、P、B、S、O、F、Cl、H中的至少一种。

通过在硅内核表面掺杂碳材料，利用碳材料中的掺杂元素在碳层中形成晶格缺陷，提高了云电子流动性，降低了储锂反应势垒、增加了储锂结合位点，大大地提高了锂离子迁移速度，提升了储锂空间和通道，从而提升了硅负极材料作为电池负极时的快充性能。

结合第一方面，需要指出的是，上述缓冲包覆层为无定形碳材料形成的包覆层，该无定形碳材料的质量为上述硅负极材料质量的0.1％-50％，进一步地，该无定形碳材料的质量为上述硅负极材料质量的0.5％-10％，可选地，该无定形碳材料的质量可以为上述硅负极材料质量的30％、15％、8％和5％。可选地，上述缓冲包覆层还可以为聚吡咯和/或聚噻吩形成的包覆层。

结合第一方面，在上述硅负极材料中，碳材料的质量为该硅负极材料质量的0.1％-50％，进一步地，碳材料的质量为硅负极材料质量的1％-10％，碳材料中的掺杂元素的质量为所述硅负极材料质量的0.1％-10％，可选地，碳材料的质量可以为硅负极材料质量的32％、14％、7％和4％，碳材料的掺杂元素的质量为硅负极材料质量的2％、5％和7％。

结合第一方面，当上述缓冲包覆层是由无定形碳材料形成的包覆层时，上述无定形碳材料和碳材料在硅内核表面形成一个双层包覆结构，该双层包覆结构的具体形式有两种，第一种是无定形碳材料在双层包覆结构的内层，碳材料在双层包覆结构的外层，第二种是碳材料在双层包覆结构的内层，无定形碳材料在双层包覆结构的外层。

结合第一方面，当缓冲包覆层是由无定形碳材料形成的包覆层时，上述无定形碳材料以及碳材料在硅内核表面形成的包覆层的厚度为0.1-10微米。

结合第一方面，上述缓冲包覆层是由无定形碳材料形成的包覆层，其中，该无定形碳材料是对沥青、环氧树脂、酚醛树脂中的至少一种处理得到的。

结合第一方面，上述硅负极材料中的硅内核包括纯硅、氧化物复合硅材料、碳复合硅材料以及杂原子掺杂硅材料中的至少一种，其中，该杂原子掺杂硅材料中包含N、P、S、B、O、F、Cl原子中的至少一种，应理解，杂原子掺杂硅材料是将N、P、S、B、O、F、Cl原子中的至少一种掺杂到硅材料中而得到的。

第二方面，提供了一种硅负极材料的制备方法，所述方法包括：将硅内核材料与无定形碳材料混合，通入保护气体并在400-1500℃下进行包覆及碳化处理，得到无定形碳材料包覆的材料；将碳材料与所述无定形碳材料包 覆的材料混合，通入所述保护气体并进行烧结处理，然后在500-1200℃的温度下保温1-12个小时，得到内层为无定形碳材料包覆、外层为碳材料包覆的所述硅负极材料，其中，所述碳材料包含掺杂元素N、P、B、S、O、F、Cl、H中的至少一种。

在第二方面中，上述保护气体包括惰性气体、氮气。