一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池与流程

本发明涉及储能材料，具体涉及一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术：

1、随着化石燃料的燃烧，全球变暖和温室效应影响着人类社会的健康可持续发展。能源危机和清洁能源成为人们研究的焦点。近年来，电动汽车和便携式设备的快速发展，锂离子电池因其能量密度高，循环寿命长等优点，已广泛应用到上述领域。

2、然而，随着人们的需求的提升，电极材料的研究逐渐成为高能量密度电池的重要研究方向。其中，作为电池的重要一环，负极材料的研究也成为当今研究的热点之一。

3、目前，广泛应用且技术成熟的锂离子电池负极材料是石墨材料，其理论比容量是372mahg-1。但是，由于碳的插层机制，即锂离子嵌入碳材料的过程，会导致在循环过程中负极发生锂枝晶现象，继而刺穿隔膜，导致内部短路，因此这种插层机制存在安全隐患。

4、硅具有高的理论比容量，约为4200mahg-1，与锂离子形成锂硅合金，该合金化机制能够有效地避免锂沉积和锂枝晶的形成，从本质上避免安全隐患。

5、然而，硅基负极材料仍存在以下问题：1)硅的导电性差；2)硅在锂化过程，发生300％的体积膨胀；3)体积膨胀导致负极和电解液之间的固态电解质中间相(sei)发生破裂—形成—破裂的循环过程，不断损耗电解液。

6、因此，开发出一种导电性强且能够缓解硅充放电过程中的体积膨胀的硅基负极材料，具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中硅基负极材料由于易发生体积膨胀而导致负极材料循环性能不佳的问题。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种锂离子电池硅基负极材料，该负极材料包括中空siox球和均匀分散于所述中空siox球之间的纳米材料，在所述中空siox球中，x为1-2；所述纳米材料包括纳米硅和包覆于所述纳米硅表面的碳壳层，且所述碳壳层是糖类经过碳化处理制备得到的；

3、所述糖类选自葡萄糖、蔗糖、果糖、壳聚糖、琼脂糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、羧甲基琼脂糖、葡萄糖酸中的至少一种；

4、所述中空siox球的内径d50大于所述纳米硅的粒径d50；

5、以所述负极材料的总质量为基准，所述中空siox球的含量为10-80wt％，所述纳米硅的含量为10-80wt％，所述碳壳层的含量为1-30wt％。

6、本发明第二方面提供一种制备第一方面所述的锂离子电池硅基负极材料的方法，该方法包括：

7、(1)在溶剂i存在下，将糖类和纳米硅进行第一混合，得到第一混合物，并将所述第一混合物与中空siox球进行第二混合，得到第二混合物；

8、(2)将所述第二混合物依次进行干燥处理和碳化处理。

9、本发明第三方面提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括第一方面所述的锂离子电池硅基负极材料。

10、采用本发明提供的硅基负极材料获得的锂离子电池具有优异的首次放电比容量和首次库伦效率，还具有循环性能优异的特点；特别地，采用本发明提供的硅基负极材料形成的锂离子电池在保证首次放电比容量和库伦效率的前提条件下，在0.2c下循环50次放电比容量保持率高达67％。

11、另外，本发明提供的制备锂离子电池硅基负极材料的方法工艺简单、绿色环保，易于大规模生产。

12、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种锂离子电池硅基负极材料，其特征在于，该负极材料包括中空siox球和均匀分散于所述中空siox球之间的纳米材料，在所述中空siox球中，x为1-2；所述纳米材料包括纳米硅和包覆于所述纳米硅表面的碳壳层，且所述碳壳层是糖类经过碳化处理制备得到的；

2.根据权利要求1所述的负极材料，其中，以所述负极材料的总质量为基准，所述中空siox球的含量为40-60wt％，所述纳米硅的含量为20-40wt％，所述碳壳层的含量为10-20wt％。

3.根据权利要求1或2所述的负极材料，其中，所述中空siox球的内径d50为200nm-500nm，优选为300nm-400nm；所述中空siox球的外径d50为300nm-1000nm，优选为400nm-900nm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的负极材料，其中，所述纳米硅的粒径d50为10nm-200nm，优选为40nm-60nm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的负极材料，其中，所述碳壳层的厚度为10nm-300nm，优选为20nm-200nm。

6.一种制备权利要求1-5中任意一项所述的锂离子电池硅基负极材料的方法，其特征在于，该方法包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述纳米硅与所述中空siox球的用量质量比为0.1-10：1，优选为0.5-1.5：1。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述干燥处理为冷冻干燥或喷雾干燥；和/或

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述碳化处理在保护气氛下进行，且所述保护气氛选自氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的至少一种，或者所述保护气氛选自氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的至少一种气体与氢气的混合物；

10.一种锂离子电池，其特征在于，该锂离子电池包括权利要求1-5中任意一项所述的锂离子电池硅基负极材料。

技术总结
本发明涉及储能材料技术领域，公开了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法、锂离子电池。该负极材料包括中空SiO<subgt;x</subgt;球和均匀分散于中空SiO<subgt;x</subgt;球之间的纳米材料，在中空SiO<subgt;x</subgt;球中，x为1‑2；纳米材料包括纳米硅和包覆于纳米硅表面的碳壳层，且碳壳层是糖类经过碳化处理制备得到的；糖类选自葡萄糖、蔗糖、果糖、壳聚糖、琼脂糖、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羧甲基壳聚糖、羧甲基琼脂糖、葡萄糖酸中的至少一种；中空SiO<subgt;x</subgt;球的内径D<subgt;50</subgt;大于纳米硅的粒径D<subgt;50</subgt;。采用本发明提供的硅基负极材料获得的锂离子电池具有优异的可逆容量和首次库伦效率，还具有循环性能优异的特点。

技术研发人员：刘琦,郎光辉,吴伯荣,王健,穆道斌,熊凯迪
受保护的技术使用者：索通发展股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15