一种硅基负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池与流程

本发明涉及电极材料，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池作为绿色二次装置，以其能量密度高、循环稳定性好、绿色环保和宽工作温度范围等特点，成功替代了市场上高污染的传统电池（如铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池）。自1990年索尼将第一款以licoo2为正极、以石油焦油为负极的商用锂离子电池推向市场以来，近30年的发展，锂离子电池的市场规模从无到有，取得了巨大的发展。如今，锂离子电池广泛应用于消费电子产品（如手机、蓝牙耳机、平板电脑、笔记本电脑和无人机）、电动交通领域（如赛车、小型物流车或电动车）以及储能系统（小型家用和大型电站）。高能量密度锂离子电池将为电动汽车和便携式电子设备的蓬勃发展提供动力，发挥越来越重要的作用。硅负极因其自然界存在广泛、对环境友好、比容量高（3579ma·g-1）、低工作电位（~0.4vvs.li+/li）等被认为是下一代锂离子电池最有潜力的负极材料之一。然而，其在锂离子电池中的商业应用主要受阻于循环过程中巨大的体积膨胀（约300%）引起的颗粒粉碎，这导致了导电网络的破坏；同时，硅活性纳米粒子由于表面能极高，在充放电过程中容易团聚降低表面自由能，加速容量衰减。此外，硅纳米粒子的大表面积增加了活性物质与电解液的直接接触，消耗了大量的锂离子，导致副反应和不可逆容量增加，降低了库伦效率。因此，当务之急是开发高稳定性的硅基负极材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅基负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池，利用本发明所述制备方法制备得到的硅基负极材料具有较高的电子电导率，有利于锂离子快速扩展和长循环稳定性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将纳米硅、铌盐和氢氧化锂混合，进行第一烧结，得到si@linbo3；

5、将所述si@linbo3、碳纳米管和液态聚丙烯腈混合进行球磨后，进行第二烧结，得到所述硅基负极材料。

6、优选的，所述纳米硅、铌盐和氢氧化锂的质量比为2：（0.055~0.22）：（0.009~0.36）。

7、优选的，所述第一烧结在保护气氛中进行；

8、所述第一烧结的温度为250~450℃，保温时间为0.5~3h。

9、优选的，所述si@linbo3、碳纳米管和液态聚丙烯腈的质量比为2：（0.04~0.1）：（0.1~0.2）。

10、优选的，所述球磨的球料比为（10~30）:1，转速为100~300r/min，时间为1~6h。

11、优选的，所述第二烧结在保护气氛中进行；

12、所述第二烧结的温度为800~1000℃，时间为1~6h，升温速率为2~10℃/min。

13、本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的硅基负极材料。

14、本发明还提供了上述技术方案所述硅基负极材料在锂离子电池中的应用。

15、本发明还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极中包括硅基负极材料；

16、所述硅基负极材料为上述技术方案所述的硅基负极材料。

17、本发明提供了一种硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米硅、铌盐和氢氧化锂混合，进行第一烧结，得到si@linbo3；将所述si@linbo3、碳纳米管和液态聚丙烯腈混合进行球磨后，进行第二烧结，得到所述硅基负极材料。本发明所述制备方法研发了一种原位包覆策略，通过离子导体包覆可以有效的改善硅负极锂离子扩散速率慢的问题，并且可以减少硅表面与电解液直接接触减少副反应产生；电子导体用于提升硅负极的导电性能，很好的解决了sei反复再生、导电性能差以及体积膨胀的问题。同时，本发明首次将li-nb-o离子导体应用于硅负极材料中，显著提升复合材料的倍率性能。采用液态丙烯腈作为碳源，经过高温烧结后原位形成具有一定空隙空间的石墨烯包覆层不仅可以为纳米硅的膨胀提供空间，还可以形成良好的导电网络；利用上述制备方法制备得到的硅基负极材料具有优异的初始库伦效率（87%），表现出较高的初始放电容量2848 ma·h·g−1、突出的倍率性能（2a·g−1时为1259 ma·h·g−1），以及出色的长循环性能（1 a·g−1循环400次后可逆容量为1000 ma·h·g−1）。实验结果表明，原位形成的离子/电子双导体包覆层可以有效提升电子电导率、促进锂离子快速扩散，有助于解决硅基负极sei再生以及导电性差等问题。

技术特征：

1.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅、铌盐和氢氧化锂的质量比为2：（0.055~0.22）：（0.009~0.36）。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一烧结在保护气氛中进行；

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述si@linbo3、碳纳米管和液态聚丙烯腈的质量比为2：（0.04~0.1）：（0.1~0.2）。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料比为（10~30）:1，转速为100~300r/min，时间为1~6h。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二烧结在保护气氛中进行；

7.权利要求1~6任一项所述的制备方法制备得到的硅基负极材料。

8.权利要求7所述的硅基负极材料在锂离子电池中的应用。

9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的负极中包括硅基负极材料；

技术总结
本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池。本发明提供了一种硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米硅、铌盐和氢氧化锂混合，进行第一烧结，得到Si@LiNbO<subgt;3</subgt;；将所述Si@LiNbO<subgt;3</subgt;、碳纳米管和液态聚丙烯腈混合进行球磨后，进行第二烧结，得到所述硅基负极材料。利用本发明所述制备方法制备得到的硅基负极材料具有较高的电子电导率，有利于锂离子快速扩展和长循环稳定性。

技术研发人员：刘剑洪,张黔玲,黎烈武,黄少銮,熊威,杜保荣
受保护的技术使用者：深圳市本征方程石墨烯技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25