[发明专利]一种包裹型的硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种包裹型的硅负极材料，该硅负极材料以硅颗粒为核心，以氧化铝掺杂氧化锌膜为壳，在硅颗粒与外壳之间留有一定的空间。此空间为了适应硅颗粒在嵌锂后的体积膨胀，避免了粉化及导电性的衰退等问题。本发明还提供了该负极材料的制备方法，在硅颗粒外包裹一层PMMA，然后在PMMA上沉积一层氧化铝掺杂氧化锌薄膜，最后去除PMMA得到用薄膜包裹的硅颗粒负极材料。本发明提供的硅负极材料比容量高，循环寿命长。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及锂离子电池领域，特别涉及一种作为锂电池负极材料的包裹型的硅材料制备方法。

背景技术

在当今追求节能，环保的潮流中，清洁的，可再生的能源的开发和利用显得尤为重要。其中，具有工作电压高、比容量大、能量密度高和循环寿命长等优点的锂离子电池受到了广泛的关注。目前，锂离子电池被应用在电动交通工具、静电储存和可携带电子通讯设备等领域。随着锂离子电池的性能不断提高，人们也相信锂离子电池将在未来人类生活中扮演不可或缺的角色。因此，对锂离子电池的性能有决定性作用的电极材料被大力研发。

硅基材料具有目前世界上最大的理论比容量4200mAh/g，是商业石墨负极的10倍。另外，硅是地球上第二大元素，储量丰沛，对环境没有污染。因此，硅基材料被认为是最有发展潜力的锂离子电池负极材料。

但是，作为锂离子电池的负极材料，硅基材料有两个很严重的问题。在锂离子电池持续的充放电过程中，硅的体积会发生剧烈膨胀，导致结构破坏，造成硅粉化。此外，电解液会在硅表面还原形成一层固体电解质膜。硅体积的不稳定性也会导致固体电解质膜破损，在多次的充放电循环后，硅表面的膜变得越来越厚，这不仅使得电极的导电性减弱，也使得锂离子在负极材料中的传输效率降低。

近年来，人们都着重研究和改善硅负极材料的性能。首先，人们从改变材料结构方面来改善硅基材料的性能。硅基材料的结构实现了从薄膜到纳米线或纳米颗粒的转变。在纳米线或者纳米颗粒中自然存在的空间缓和了锂离子嵌入造成的体积膨胀。除了硅基材料本身结构上的改变，硅基材料和其他材料的复合也很大程度上提高了负极材料的循环寿命。比如，碳和硅基材料可以形成核壳结构。碳壳和硅颗粒之间预留的空间起到了体积膨胀时的缓冲作用。碳壳也对其有一定的抑制作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是锂离子电池的硅基负极材料容易发生粉化导致电池的循环性能不稳定。

本发明第一方面提供一种包裹型的硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：

A.用偶联剂覆盖在硅颗粒表面得到偶联剂修饰过表面的硅颗粒；

B.然后加入PMMA单体、乳化剂、缓冲剂、引发剂、交联剂和分散媒介进行反应，在硅颗粒表面形成PMMA膜,得到PMMA包裹的硅颗粒；

C.将PMMA包裹的硅颗粒浸润在含有锌源和铝源的反应溶液中，并搅拌，反应生成了一层氧化铝掺杂氧化锌薄膜覆盖在PMMA膜外表面；

D.在氩气氛围中高温去除PMMA，最后得到了锂离子电池的硅负极材料，该硅负极材料以硅颗粒为核心，以氧化铝掺杂氧化锌膜为壳，在硅颗粒与外壳之间有一定的空间。

本发明的技术方案中，步骤A的具体方法如下：

A-1.将硅纳米颗粒与适量乙醇混合，用磁力搅拌机搅拌，

A-2.将偶联剂、去离子水、乙醇混合，超声混匀，

A-3.将步骤A-2的混合溶液慢慢滴入步骤A-1的硅纳米颗粒溶液中，并搅拌直到混合均匀，得到含有偶联剂修饰过表面的硅颗粒的溶液。

在上述步骤A的方法中，偶联剂为3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，硅纳米颗粒的粒径为100nm—5um。

本发明的技术方案中，所述的在硅颗粒外包裹的PMMA膜的厚度为100-500nm。