[发明专利]一种有机硅电解液和硅基电极材料配合使用的方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种有机硅电解液和硅基电极材料配合使用 的方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭以及地球气候的日趋恶化，开发新型清洁能源和加强节能减排 成为世界各国的重点发展方向。近年来随着混合动力汽车和纯电动汽车以及新能源(太阳能、 风电)并网发电站项目建设步伐加快，高性能动力(储能)电池成为大力发展的核心技术之 一，目前锂离子电池因其高电压、大容量、循环性能佳、低污染等优点成为最有竞争力的电 源解决方案。研发性能优异的负极材料是提高锂离子电池性能的关键之一。碳材料是最早在 商业锂电池中得到广泛应用的负极材料，但是，电容量密度低、不可逆损失大、高温时安全 性低、过充电时容易短路等缺点限制了碳负极材料的发展。因此，开发容量密度高、循环性 能优良和安全性能优异的新型锂离子电池负极材料迫在眉睫。

在众多新型锂离子电池负极材料中，硅基负极材料具有其它负极材料无法匹敌的高容量 优势(Li₂₂Si₅，理论储锂容量4200mAh/g)，是公认的下一代具有商业化前景的负极材料。硅 基负极材料是目前商业碳负极材料理论容量的11倍，锂嵌入硅的电位(低于0.5V)低于一 般溶剂分子的共嵌入电压，高于锂的析出电位。因此，硅基负极材料可以解决溶剂分子嵌入 以及锂枝晶析出的问题。但是，硅基材料导电性差，同时其在嵌脱锂过程中存在严重的体积 效应，体积变化率约为400％，会造成电极材料粉化以及电极材料与集流体分离。硅基材料的 上述缺陷严重限制了其商业化的应用。为克服硅的体积效应，人们多采用制备纳米结构的硅 基材料，硅薄膜材料，多孔硅材料和硅基复合材料来提高硅基电极材料的循环性能，但是此 类复合材料中的硅会裸露于电解液中，由于充放电过程中的体积效应，硅基电极材料不断形 成新鲜表面，因此持续消耗电解液以生成SEI膜，降低了电极材料的循环性能。近年，有关 硅基电极材料相匹配的电解液也有相继报道，如AurbachD.，MullinsCB分别发现氟代碳酸 乙烯酯作为电解液的溶剂时，能大幅提高纳米硅基电极锂离子电池的循环性能(J.Langmuir, 2012,28,965-976；2014,30,7414-7424；Chem.Commun.2012,48,7268-7270)。因此，通过研 发与硅基电极材料匹配的电解液体系以提高硅基负极锂离子电池的电化学性能，进而开发出 高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池，具有一定的理论价值和实践意义， 对推动锂离子电池产业的技术升级和新能源产业、电动汽车及混合电动车产业的发展无疑具 有重要的意义。

有机硅化合物具有优良的热稳定性、高电导率、无毒性、低可燃性和高分解电压等优点， 与目前商业化的有机碳酸酯电解液比较具有更好的安全性能，在电化学储能器件中有巨大的 商业应用前景。本专利发明人近年来申请了一系列锂离子电池用有机硅电解液材料，包括有 机硅氰化合物(ZL201010182978.6)、有机硅离子液体(CN102372732A)、有机硅碳酸酯 (ZL201210358351.0，PCTCN2012084205)、有机硅胺化合物(ZL201010607369.0和US 9,085,591B2)、有机硅氟聚醚化合物(CN2012103896591/PCLBN2012084192)。鉴于硅基 电极材料是下一代可能大规模商业化的高容量负极，以及应用硅基电极材料的锂离子电池的 巨大市场，使用有机硅化合物作为电解液应用于硅基电极也显得尤为重要。

发明内容

本发明是利用有机硅电解液材料和硅基电极材料“相似相容”性质，通过不同的功能基 团修饰(如氰基、碳酸酯基、聚醚链、卤素基团、叔胺基等)来提高有机硅化合物与硅基负 极的相容性性，提供一种有机硅电解液和硅基电极材料配合使用的方法，有机硅化合物作为 电解液应用于硅基电极表现突出的技术效果，具有低阻抗、优良的循环稳定性和倍率性能、 以及安全性。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种有机硅电解液和硅基电极材料配合使用的方法，所述硅基电极材料为硅粉、氧化亚 硅或硅-碳复合电极材料，所述有机硅电解液包含锂盐、电解液添加剂和有机硅化合物，所述 有机硅化合物如下述通式所示：