复合活性材料和相关的二次电池和用电装置的制作方法

本申请涉及电池，更具体地，涉及复合活性材料和相关的二次电池和用电装置。

背景技术：

1、二次电池具有工作性能可靠，以及无污染、无记忆效应等优点，因而被广泛应用。例如，随着环境保护问题日益受到重视，新能源汽车日益普及，动力型二次电池的需求将呈现爆发式增长。

2、为了提高二次电池的性能，通常对二次电池内的材料例如负极活性材料进行优化改善。负极活性材料作为二次电池中金属离子和电子的载体，起到能量的存储与释放的作用，对二次电池的性能具有不可忽略的影响。

3、然而，目前改进后的负极活性材料在应用于二次电池时，二次电池的循环性能和能量密度仍较差。

技术实现思路

1、本申请提供一种复合活性材料和相关的二次电池和用电装置，所述复合活性材料在应用于二次电池时，二次电池的循环性能和能量密度能够得到改善。

2、第一方面，本申请提出了一种复合活性材料，所述复合活性材料包括金属基体颗粒和硅纳米颗粒，所述金属基体颗粒具有多孔骨架结构；所述硅纳米颗粒位于所述多孔骨架结构的至少部分孔内。

3、本申请的金属基体颗粒具有稳定的多孔骨架结构，其支撑能力较强，表现为应力能力较高，且具有优异的机械性能和导电性；多孔骨架结构可供设置硅纳米颗粒的空间较多，可以用于大量储硅；硅纳米颗粒均匀分散于孔结构中，金属基体颗粒和硅纳米颗粒复合后，可以提高复合活性材料的导电性；并且由于金属基体颗粒相对较高的机械强度，可以为硅纳米颗粒提供有效的力学支撑，同时缓解硅在嵌锂过程中的体积膨胀，且能够充分承受硅纳米颗粒的应力变化，保证复合活性材料的结构稳定性，提高复合活性材料的循环稳定性和储锂能力，由此在复合活性材料应用于二次电池时，提高二次电池的循环性能和能量密度。

4、在一些实施方式中，所述多孔骨架结构的平均孔径为r，其单位为nm，1≤r≤100；可选地，1≤r≤8；进一步可选地，1≤r≤5。多孔骨架结构的平均孔径在上述范围时，由于多孔骨架结构的孔径限制，硅纳米颗粒不易发生团聚形成大颗粒的硅晶粒，有利于硅纳米颗粒的均匀分散。

5、在一些实施方式中，所述多孔骨架结构的孔容积为v，其单位为cm3/g，0.5≤v≤0.8。多孔骨架结构的孔容积在上述范围时，由于孔容积限制，硅纳米颗粒不易发生团聚形成大颗粒的硅晶粒，有利于硅纳米颗粒的均匀分散。

6、在一些实施方式中，所述金属基体颗粒的bet比表面积为s1，其单位为m2/g，1000≤s1≤2000。金属基体颗粒的bet比表面积在上述范围时，金属基体颗粒能够提供的显露的面积较多，有利于硅纳米颗粒的广泛分散，使得硅纳米颗粒的均匀分布。

7、在一些实施方式中，所述金属基体颗粒的体积分布粒径dv50为d1，其单位为μm，3≤d1≤8。金属基体颗粒的体积分布粒径在上述范围时，其具有更为丰富的三维交联孔结构，有利于硅纳米颗粒在孔结构中的均匀分散。

8、在一些实施方式中，所述金属基体颗粒的材料包括铁、镍和铜中的一种或多种。在金属基体颗粒包括多种金属单质时，多种金属单质可以构成合金，例如铁镍合金等。

9、在一些实施方式中，所述硅纳米颗粒的平均粒径为dsi，其单位为nm，dsi≤100；可选地，1≤dsi≤3。硅纳米颗粒的粒径相对较小，可以显著缓解硅体积变化造成的较高压力，有利于保证复合活性材料整体的结构稳定性，提升二次电池的循环稳定性；且能够显著缩短锂离子的传输距离，有利于改善复合活性材料的动力学性能。

10、在一些实施方式中，所述硅纳米颗粒包括硅氧化合物、预锂硅氧化合物、非晶硅、晶体硅和硅碳复合物中的一种或多种。非晶硅在各个方向可以均匀膨胀，从而对金属基体颗粒造成均匀挤压，金属基体颗粒可以有效地缓解非晶硅的体积膨胀。晶体硅的结构相对更稳定，更有利于充分发挥其容量特性。硅碳复合物预先将碳和硅复合为化合物后，形成于金属基体颗粒的孔中，硅碳复合物的体积膨胀相对较小，从而能够减轻对多孔碳基体颗粒造成的应力。

11、在一些实施方式中，基于所述复合活性材料的总质量，所述硅纳米颗粒的质量百分含量为a％；基于所述复合活性材料的总质量，所述金属基体颗粒的质量百分含量为b％，所述复合活性材料满足：0.4≤a/b≤1.5；可选地，30≤a≤55；和/或45≤b≤70。硅纳米颗粒的质量百分含量在上述范围时，复合活性材料的容量相对较高。

12、在一些实施方式中，所述复合活性材料还包括导电层，所述导电层包覆所述金属基体颗粒的至少部分表面。导电层作为连续的层状结构，其包覆于金属基体颗粒的外表面，可以覆盖金属基体颗粒表面的孔隙，降低金属基体颗粒的比表面积，降低金属基体颗粒中硅纳米颗粒和电解液发生副反应的风险，从而提升复合活性材料的结构稳定性。并且上述物质具有优良的导电性，从而能够显著提高复合活性材料的导电性。

13、在一些实施方式中，所述导电层的厚度为h，其单位为nm，3≤h≤10。导电层作为连续的层状结构，其包覆于金属基体颗粒的外表面，可以覆盖金属基体颗粒表面的孔隙，降低金属基体颗粒的比表面积，降低金属基体颗粒中硅纳米颗粒和电解液发生副反应的风险，从而提升复合活性材料的结构稳定性。并且上述物质具有优良的导电性，从而能够显著提高复合活性材料的导电性。

14、在一些实施方式中，所述导电层包括碳层和/或导电聚合物层；可选地，所述导电聚合物层包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、聚噻吩、聚苯硫醚和聚对苯撑中的一种或多种。

15、在一些实施方式中，所述复合活性材料的体积分布粒径dv50为d2，其单位为μm，2≤d2≤12；和/或所述复合活性材料的bet比表面积为s2，其单位为m2/g，800≤s2≤3000；和/或所述复合活性材料的孔隙率为p％，0＜p≤90。

16、第二方面，本申请提出了一种二次电池，所述二次电池包括负极极片，所述负极极片包括本申请第一方面任一实施方式所述的复合活性材料。

17、第三方面，本申请提出了一种用电装置，包括如本申请第二方面所述的二次电池。

技术特征：

1.一种复合活性材料，包括：

2.根据权利要求1所述的复合活性材料，其中，

3.根据权利要求1或2所述的复合活性材料，其中，

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合活性材料，其中，

5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合活性材料，其中，

6.根据权利要求1至5中任一项所述的复合活性材料，其中，

7.根据权利要求1至6中任一项所述的复合活性材料，其中，

8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合活性材料，其中，

9.根据权利要求1至8中任一项所述的复合活性材料，其中，

10.根据权利要求1至9中任一项所述的复合活性材料，所述复合活性材料还包括导电层，所述导电层包覆所述金属基体颗粒的至少部分表面。

11.根据权利要求10所述的复合活性材料，所述导电层的厚度为h，其单位为nm，3≤h≤10。

12.根据权利要求10或11所述的复合活性材料，其中，

13.根据权利要求1至12中任一项所述的复合活性材料，其中，

14.一种二次电池，包括负极极片，所述负极极片包括如权利要求1至13中任一项所述的复合活性材料。

15.一种用电装置，包括如权利要求14所述的二次电池。

技术总结
本申请涉及一种复合活性材料和相关的二次电池和用电装置。所述复合活性材料包括金属基体颗粒和硅纳米颗粒，所述金属基体颗粒具有多孔骨架结构；所述硅纳米颗粒位于所述多孔骨架结构的至少部分孔内。所述复合活性材料在应用于二次电池时，二次电池的循环性能和能量密度能够得到改善。

技术研发人员：云亮,孙信,吴李力,董苗苗,李璇,陈兴布,宋佩东
受保护的技术使用者：宁德时代新能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13