一种孔隙可控的硅基负极材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及锂电池材料，特别涉及一种孔隙可控的硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、作为新能源汽车核心动力系统的锂离子电池，其性能的好坏直接决定了新能源汽车的续航、快充和安全性能。在锂电池中，作为四大核心组成之一的锂电池负极材料在锂电池中起储存和释放能量的作用，主要影响锂电池的首次效率、循环性能等。

2、目前常用的主要是石墨负极和硅基负极，其中石墨负极主要面临着比容量低、已接近其理论比容量，容量提升空间有限的问题；而硅基负极虽然具备较高的理论比容量，但同时在锂的合金化过程中，硅基负极在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀和体积收缩，易导致硅基负极材料颗粒的破裂、粉化和脱落等问题，从而造成组装的锂离子电池容量下降快和循环性能差，严重抑制新能源汽车产业的发展。

3、因此，设计出一种硅基负极材料，改善硅基负极材料的体积膨胀具有较高的现实意义。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种孔隙可控的硅基负极材料及其制备方法和应用，目的是为了解决硅基负极材料的体积膨胀率大和电池循环性能差的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种孔隙可控的硅基负极材料，所述硅基负极材料包括:多孔氧化亚硅和掺杂元素；

3、其中，所述多孔氧化亚硅的孔隙的孔径在1nm-50nm之间；

4、所述多孔氧化亚硅的孔隙是通过在制备氧化亚硅的过程中控制干扰方式形成；所述干扰方式包括：声波干扰、机械振动干扰、气流干扰中的一种或多种方式；所述多孔氧化亚硅的孔隙率在5％-20％之间；

5、所述掺杂元素均匀弥散分布于所述多孔氧化亚硅的孔隙内和基体中；所述掺杂元素的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-15％；

6、所述多孔氧化亚硅的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为85％-100％；

7、所述硅基负极材料的压实密度在1.35g/cm3-1.85g/cm3之间。

8、优选的，所述多孔氧化亚硅的孔隙的孔径在5nm-40nm之间；

9、所述多孔氧化亚硅的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为88％-97％；

10、所述多孔氧化亚硅的孔隙率在5％-15％之间；

11、所述硅基负极材料的粒径dv50在1μm-100μm之间。

12、优选的，所述掺杂元素的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为3％-12％；

13、所述掺杂元素包括金属掺杂元素和/或非金属掺杂元素；

14、其中，所述金属掺杂元素包括:al、na、li、mg、ca、ti、mn、co、ni、cu、zn、zr、mo、ge、sn中的一种或多种；含所述金属掺杂元素的材料包括：金属单质、金属化合物、金属合金或金属复合物中的一种或多种；

15、所述非金属掺杂元素包括:b、n、p、s、c中的一种或多种；含所述非金属掺杂元素的材料包括非金属单质及其化合物。

16、优选的，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-20％。

17、第二方面，本发明实施例提供了一种上述第一方面所述的孔隙可控的硅基负极材料的制备方法，所述制备方法包括：

18、将硅粉、二氧化硅粉末和含掺杂元素的材料混合均匀，得到混合材料；

19、将混合材料置于真空高温炉的第一炉腔内，在减压条件下，加热升温并保温，至混合材料气化后，得到混合气体；

20、启动调节好的干扰设备，将混合气体通过载气带入到真空高温炉的第二炉腔内，通过干扰方式使混合气体在冷却、沉积于不锈钢基板上形成的沉积物料中具有孔隙结构，得到孔隙可控的硅基负极材料。

21、优选的，所述在减压条件下具体为：抽真空至30pa-160pa；所述加热升温的温度在1000℃-1800℃之间；所述保温的时间在1小时-6小时之间。

22、所述载气为氩气或氮气，所述载气的流速在1l/min-40l/min之间；

23、所述干扰方式包括：声波干扰、机械振动干扰、气流干扰中的一种或多种；

24、所述干扰方式使用的设备包括：超声仪、机械振动机、气体流量控制器中的一种或多种。

25、优选的，所述含掺杂元素的材料包括：含金属掺杂元素的材料和/或含非金属掺杂元素的材料；

26、所述含金属掺杂元素的材料包括：含至少一种al、na、li、mg、ca、ti、mn、co、ni、cu、zn、zr、mo、ge、sn金属元素的金属单质、金属化合物、金属合金或金属复合物中的一种或多种；

27、所述含非金属掺杂元素的材料包括：含至少一种b、n、p、s、c非金属元素的金属单质及其化合物；

28、所述含掺杂元素的材料的质量与所述硅粉和二氧硅粉末的质量比为[0:1]-[1:49]。

29、优选的，所述制备方法还包括：对所述硅基负极材料分级除磁后进行碳包覆；

30、所述碳包覆的方法包括：气相包覆、液相包覆或固相包覆中的一种；

31、所述碳包覆形成的碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-20％。

32、第三方面，本发明实施例提供了一种负极极片，所述负极极片包括上述第一方面所述的孔隙可控的硅基负极材料。

33、第四方面，本发明实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第三方面所述的负极极片。

34、本发明实施例提供了一种孔隙可控的硅基负极材料及其制备方法和应用，通过不同的干扰方式影响气化原料的沉积过程，使原料混合气体在冷却、沉积形成氧化亚硅沉积物料过程中具有孔隙结构，制备得到含有不同孔径的孔隙的硅基负极材料，同时通过调节干扰设备的强度、频率和时间来控制形成的孔隙率。

35、本发明实施例制备得到的孔隙可控的硅基负极材料，其中的孔隙一方面可以在嵌锂时的氧化亚硅产生的体积膨胀预留一定的空间，抑制体积膨胀，另一方面孔隙也会吸收颗粒膨胀产生的内应力，减缓裂纹的形成和发展；并且，通过调节干扰设备的参数可以控制颗粒内的孔径大小和孔隙率，以保证可以抑制体积膨胀的同时能够保障硅基负极材料的颗粒硬度，使其在后期的辊压工艺过程中不会发生颗粒的坍塌和破裂，在确保电池制备工艺的可行性的同时，可以使锂电池具备较低的体积膨胀率和较好的循环性能。

36、本发明实施例通过干扰方式形成孔隙的方法相对于传统通过造孔剂形成孔隙的方法，不需要引入其他元素，不会因为造孔剂残留而对材料的性能产生影响，并且材料内孔隙的分布均一性更好。

技术特征：

1.一种孔隙可控的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包括:多孔氧化亚硅和掺杂元素；

2.根据权利要求1所述的孔隙可控的硅基负极材料，其特征在于，所述多孔氧化亚硅的孔隙的孔径在5nm-40nm之间；

3.根据权利要求1所述的孔隙可控的硅基负极材料，其特征在于，所述掺杂元素的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为3％-12％；

4.根据权利要求1所述的孔隙可控的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料还包括碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述硅基负极材料总质量的百分比为0-20％。

5.一种上述权利要求1-4任一所述的孔隙可控的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在减压条件下具体为：抽真空至30pa-160pa；所述加热升温的温度在1000℃-1800℃之间；所述保温的时间在1小时-6小时之间。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含掺杂元素的材料包括：含金属掺杂元素的材料和/或含非金属掺杂元素的材料；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：对所述硅基负极材料分级除磁后进行碳包覆；

9.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括上述权利要求1-4任一所述的孔隙可控的硅基负极材料。

10.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括上述权利要求9所述的负极极片。

技术总结
本发明公开了一种孔隙可控的硅基负极材料及其制备方法和应用，硅基负极材料包括:多孔氧化亚硅和掺杂元素；其中，多孔氧化亚硅的孔隙的孔径在1nm‑50nm之间；多孔氧化亚硅的孔隙是通过在制备氧化亚硅的过程中控制干扰方式形成；干扰方式包括：声波干扰、机械振动干扰、气流干扰中的一种或多种方式；多孔氧化亚硅的孔隙率在5％‑20％之间；掺杂元素均匀弥散分布于多孔氧化亚硅的孔隙内和基体中；掺杂元素的质量占硅基负极材料总质量的百分比为0‑15％；多孔氧化亚硅的质量占硅基负极材料总质量的百分比为85％‑100％；硅基负极材料的压实密度在1.35g/cm<supgt;3</supgt;‑1.85g/cm<supgt;3</supgt;之间。

技术研发人员：王静,刘柏男,罗飞
受保护的技术使用者：溧阳天目先导电池材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/27