[发明专利]一种硅‑液态金属复合锂电池负极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种硅-液态金属复合锂电池负极材料及其制备方法。

背景技术

现代工业的飞速发展，人类对于能源的需求日益增大。目前世界所利用能源的85％来自于化石原料(煤、石油、天然气等)，这些原料是不可再生的，其造成的环境污染也在不断加剧。因此，绿色能源及其材料的研制开发，对于实现二十一世纪可持续发展战略，缓解能源危机和减轻环境污染压力都具有非常重要的意义。随着环境污染的日益严重和人们环保意识的增强，以铅、镉等有毒金属作为电池材料的使用逐渐受到限制，这促使人们开始寻找新的电池材料。锂离子电池作为一种可循环使用的高效绿色新能源，是综合缓解能源、资源和环境问题的一种重要技术途径。特别是近年来基于锂离子电池而迅速发展起来的便携式电子产品、电动车辆、航空航天与国防装备的电源系统等众多应用领域，无不显示出锂离子电池对当今社会可持续发展的重要支撑作用。锂电池作为一种高能环保电池，其具有工作电压高、比能量大、可快速充放电及循环使用寿命长等优点，因此已经被广泛的应用于手机、笔记本电脑以及数码相机等电子产品。除此之外，锂电池开始逐渐应用于电动汽车和航天领域等新兴市场。

锂电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以，锂电池长期没有得到应用，随着技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可以分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料，使用非水电电解质的电池，充电时正极上发生的反应为：LiCoO₂==Li_(1-x)CoO₂+X Li⁺+Xe^-(电子)，充电时负极上发生的反应为：6C+XLi⁺+Xe^- = LixC₆ ，充电电池的总反应为：LiCoO₂+6C = Li_(1-x)CoO₂+LixC₆。

锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。一般来说，选择一种好的负极材料应遵循以下原则：比能量高；相对锂电极的电极电位低；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小，真密度高；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。但负极材料存在充放电过程中首次循环库伦效率低和体积变化大的现象，且循环使用性能较差，因此提高负极材料的循环稳定性成为研究负极材料的主要目标。自从上世纪九十年代日本索尼公司首先用石墨作为负极研制出二次锂离子电池并实现产业化以来，锂离子电池得到了迅速的发展。该电池体系用石墨代替金属锂负极，电池的安全性能大为改善，并且具有较长的循环寿命，同时电池的充放电效率也得到提高，因此锂离子电池的研究开发很大程度上就是负极嵌锂化合物的研究开发，负极材料的发展在锂离子电池的发展中起了决定性作用。随着手机、笔记本电脑、数码相机等诸多便携式小型电器的日益多功能化，电池的规格型号及内在性能也向着多样化方向发展，对电池的一致性和安全、大电流、长寿命等性能提出了更高的要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分。锂离子电池负极材料大体包括：碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物过渡金属氧化物和磷化物负极材料、过渡金属硫化物负极材料，合金类负极材料。目前商业化的锂离子电池负极材料主要以石墨类碳材料为主，由于其比容量低和安全性差的问题制约了动力锂离子电池的进一步开发与应用。因此开发高比容量、安全性好的负极材料是当今研究工作的重点。目前，锂离子电池主要以硅基材料及其复合物作为电极材料，但是其在充放电过程中电极体积发生膨胀，电池性能不稳定的不足，电池的循环性较差。

发明内容

针对目前锂离子电池中存在的电池在充放电过程中电极体积发生膨胀，电池性能不稳定的不足，本发明提供了一种硅基材料-液态金属三元锂电池负极材料，通过液态金属的高温体积微变化缓冲硅基材料材料体积形变带来的应力变化，有效地抑制硅基材料的体积膨胀，同时液态金属能有效稳定电极材料与电解液的界面,使SEI膜稳定生长，提高电池的能量密度和对电解液的稳定性。