[发明专利]一种高首效高倍率硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，针对现有技术中硅氧材料首效低、电导率不佳及膨胀较大的问题，公开了一种高首效高倍率硅基负极材料及其制备方法，硅基负极材料为高首效SiO/C材料、石墨及硬碳分布于无定型碳中形成的复合结构；硅基负极材料中各组分的质量比为高首效SiO/C材料：石墨：硬碳：无定型碳源为1：1~10：1~5：0.1~0.3。对氧化亚硅材料进行液相预锂化处理，将高首效硅氧材料固定在石墨颗粒和硬碳颗粒之间，通过碳基材料的锚定作用缓解硅基材料的体积膨胀，起锚定作用的无定型碳同时在高首效硅氧材料、石墨及硬碳表现形成了一层碳包覆层，最终制得的硅基复合材料具有高首效高倍率长循环寿命的特点，综合性能优异。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种高首效高倍率硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

随着消费类电子行业及电动汽车等领域的蓬勃发展，人们对储能设备的要求越来越严格，在众多的储能器件中，锂离子电池因其独特的优势而得到了广泛的研究与发展，为了跟进实际应用的步伐，锂离子电池在能量密度、功率密度、循环及安全方面也在不断提升；传统的石墨类锂电池负极材料，因为其理论容量低，已经成为制约锂电池能量密度提升的一项重要因素，与此同时，硅基材料因为其高容量、来源广泛、嵌锂电位低等有点成为最有希望取代石墨的下一代负极材料，硅基材料又分为纳米硅与硅氧方向，与纳米硅相比，硅氧材料因为体积膨胀相对较小、循环更稳定而更被业内人士看好，而且硅氧材料理论容量在2000mAh/g以上，能够满足市场需求，但硅氧材料因为首次充电过程形成Li₂O、Li₄SiO₄等副产物，导致其首次效率低，而且硅氧材料本身电导率不佳、膨胀依然较大等问题，也需要进一步改善与提升。

针对硅基材料目前存在的问题，科研人员已经展开了大量的研究，改善的手段主要集中在预锂化、包覆、掺杂以及结构设计；专利CN111710848A将SiO_x与掺杂元素源混合，得到掺杂硅源，再将掺杂硅源与锂源混合煅烧，得到导电性能好、首效高的硅氧负极材料，但是其预锂方式是高温烧结，均匀性难以控制且在规模化应用时会存在加工性的问题；专利CN110010863A将金属锂溶解在有机溶剂，加入负极粉末完成预锂，提升材料首效同时减小了电池在充放电过程的膨胀，且液相过程可以提高预锂的精度及一致性，但本专利使用的锂源为单一的金属锂，应用有局限性难以规模化生产；专利将硬碳颗粒与氧化亚硅混合，加入水性粘结剂调节浆料粘度，喷雾干燥后得到混合颗粒，使硬碳小颗粒包裹在氧化亚硅颗粒表面，制备出的电池具有循环性能好的特性，但此专利未使用硬碳且没有对硅材料进行预锂，材料首效偏低。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中硅氧材料首效低、电导率不佳及膨胀较大的问题，提供一种高首效高倍率硅基负极材料及其制备方法，本发明首先对氧化亚硅材料进行液相预锂化处理，再将预锂后的硅氧材料与石墨、硬碳混合并添加碳源进行造粒，将高首效硅氧材料固定在石墨颗粒和硬碳颗粒之间，通过碳基材料的锚定作用缓解硅基材料的体积膨胀，起锚定作用的无定型碳同时在高首效硅氧材料、石墨及硬碳表现形成了一层碳包覆层，以进一步提升成品硅基材料的循环性能，且硬碳颗粒的存在可以提升复合材料的倍率性能，最终制得的硅基复合材料具有高首效高倍率长循环寿命的特点，综合性能优异。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高首效高倍率硅基负极材料，所述硅基负极材料为高首效SiO/C材料、石墨及硬碳分布于无定型碳中形成的复合结构。

作为优选，所述硅基负极材料中各组分的质量比为高首效SiO/C材料：石墨：硬碳：无定型碳源为1：1～10：1～5：0.1～0.3。