[发明专利]一种SiOx基复合材料、制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体地，本发明涉及一种SiO_x基复合材料及其制备方法，以及使用该复合材料的锂离子电池。

背景技术

目前，商品化锂离子电池负极材料90％以上的主流产品为石墨类碳材料，如人造石墨、天然石墨和中间相碳微球等。然而，碳类负极材料因其比容量较低（372mAh/g）使其较难跟上电子设备小型化、车用及电动工具用锂离子电池大功率、高容量等需要的步伐。因而，急切需要研发可替代碳材料的高能量密度、高安全性能及长循环寿命的新型锂离子电池负极材料。

传统金属硅作为锂离子电池负极材料，其理论比容量可达4200mAh/g。但其在充放电过程中存在的体积膨胀（约300％）会引起活性颗粒粉化，进而失去电接触而导致容量快速衰减。氧化硅材料，虽然其理论比容量比纯硅材料小，但其在电池充放电过程中的体积效应相对较小（约200％），因此，氧化硅材料更容易突破限制，早日实现商品化。

CN102306759A公开了一种锂离子电池氧化亚硅复合负极材料及其制备方法，该材料的制备方法包括以下步骤：（1）将氧化亚硅在惰性气氛下高温烧结，生成纳米硅颗粒和无定形二氧化硅；（2）准确称取一定量的经烧结后的氧化亚硅和导电剂，加入行星式球磨机中，混合球磨，即得到氧化亚硅复合负极材料。该氧化亚硅复合负极材料具有高容量（800mAh/g），但循环性能很差，循环100周容量保持率仅为原来的50％左右，离商品化距离还很远。

CN103236517A公开了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法，所述 的锂离子电池硅基负极材料由一氧化硅制成，宏观颗粒粒径为10-25μm，微观结构为二氧化硅包覆的纳米硅颗粒，内部硅颗粒粒径为20-30nm。该负极材料在0.1C倍率下，首次放电容量达2010-2640mAh/g，经50次循环后为420-790mAh/g，循环性能较差，同时该材料微米尺度颗粒内部单纯依靠Si与SiO₂电传导、本身电导率差且传输路径长，使得倍率性能差，同时该结构材料并未有效解决材料本身的体积膨胀问题。

因此，开发一种循环性能优异、体积膨胀效应低、倍率性能好的氧化硅负极材料及其制备方法是所属领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种SiO_x基复合材料，所述复合材料作为锂离子电池负极材料循环性能优异，同时具有优良的倍率性能以及较低的体积膨胀效应。

在第一方面，本发明提供一种SiO_x基复合材料，包含SiO_x/C材料，所述SiO_x/C材料包含SiO_x纳米颗粒、有机物裂解碳、纳米导电颗粒和非晶态导电碳层，所述SiO_x纳米颗粒、有机物裂解碳和纳米导电颗粒包裹于非晶态导电碳层内，所述SiO_x/C材料呈类球形并含多孔结构，其中0.5≤x≤1.3。

作为本发明的优选实施方案，所述SiO_x/C材料采用孔隙率测量仪测定孔隙率为5～20％，孔径小于10nm的纳米孔占总孔体积的20～40％。具有这种孔隙率和孔径的SiO_x/C材料作为锂离子电池负极材料循环性能更加优异，同时具有更加优良的倍率性能以及较低的体积膨胀效应。

作为本发明的优选实施方案，所述复合材料还包含碳粉。

优选地，所述碳粉为软碳、硬碳和石墨化碳中的1种或至少2种的组合；所述组合典型但非限定性的实例比如：软碳和硬碳的组合，软碳和石墨化碳的 组合，硬碳和石墨化碳的组合，软碳、硬碳和石墨化碳的组合。

优选地，所述SiO_x/C材料的中值粒径为2.0～15.0μm。

优选地，所述SiO_x纳米颗粒的中值粒径为30～500nm。

优选地，所述有机物裂解碳的含量为1.0～20.0wt％。

优选地，所述纳米导电颗粒的中值粒径为80～300nm，含量为5.0wt％以下。

优选地，所述非晶态导电碳层的厚度为0.1～3.0μm，含量为1.0～20.0wt％。

优选地，所述复合材料中磁性异物的总量为0.1ppm以下。