[发明专利]一种空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及一种空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。该材料为核壳结构，其中核为预掺杂锂的硅氧复合材料，壳为包覆碳层。掺杂锂为制备过程通过固相反应将硅氧复合材料中的氧化硅转化为硅酸锂。该空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料的制备方法包括在硅氧化物颗粒表面包覆锂源后通过化学气相碳沉积在得到的颗粒表面形成一层包覆碳层；将得到的包覆材料在真空或者惰性气氛下烧结，表层包覆锂源与硅氧化物反应，一方面实现硅氧化物材料的锂掺杂，另一方面实现空腔结构的构筑。本发明的空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料具有高比容量、高首次充放电效率、长寿命的特点。

技术领域

本发明涉及一种空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着锂离子电池在不同领域的应用范围越来越广，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求。特别的，很多应用领域对锂离子电池的能量密度的要求越来越高，不管是3C产品，还是电动汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。但是，目前的锂离子电池的能量密度的提高变得越来越难，能量密度已经成为制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。

目前，石墨负极的实际容量发挥已接近理论极限，很难通过材料和工艺优化进一步大幅提升。相比于石墨(372mAh/g)，具有超高理论比容量的氧化亚硅材料成为锂离子电池碳基负极升级换代最富有潜力的选择。但氧化亚硅材料目前面临两个方面的问题：首先是锂化过程中高的体积膨胀，可达200％；高的体积膨胀势必会带来材料失效、界面劣化和循环性能的下降。其次是氧化亚硅由于在首次充电过程中形成Li₂O和Li₄SiO₄等副产物，其首次充放电效率较低(＜70％)。在锂离子电池体系中，首次充放电效率主要由负极的首次效率决定，负极低的首次效率在首次充电过程会大量消耗活性锂离子，极大的降低电池容量发挥及能量密度。

现有技术中已有通过负极预嵌锂来提高首次效率的报道。LG公司提出了通过控制外短路电阻和短路时间来控制补锂速度和补锂量的方法，并设计了产业化的电极补锂工艺，实现补锂负极极片的连续化生产。具体的，该工艺是将正、负极和隔膜组成的电芯放置于电解液反应池中，通过锂金属电极对负极的充放电实现负极预嵌锂。JM Energy公司在电芯组装过程中引入锂电极并将锂电极的极耳与负极极耳焊接，在注入电解液后通过锂电极对负极的短路实现补锂。

申请公布号为CN104993098A的中国发明专利公开了金属锂粉末在负极材料补锂方面的应用，该应用通过在负极极片表面均匀涂覆锂粉颗粒进而实现负极的预锂化过程。但由于锂金属自身的高活性，上述预锂化方法均需要在干燥无氧的环境中进行，操作难度大，并且预锂化的程度和精度难以精确的控制。

申请公布号为CN101047234A的中国发明专利公开了将氧化硅粉末与锂源固相烧结的方法来实现氧化硅材料的预膨胀与预锂化。该方法从材料尺度很好的解决了氧化硅高膨胀和低首效的缺陷，但内部缓冲结构的缺失使得该材料在体积膨胀和收缩的过程中依然面临界面不稳定、循环不佳的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长寿命、高首效的空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料。

本发明的目的还在于提供一种上述空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供一种使用上述空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料的锂离子电池。

为实现上述目的，本发明的空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料的技术方案是：

一种空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料，所述空间缓冲、掺杂锂的硅氧化物复合材料为核壳结构，所述核为预掺杂锂的硅氧复合材料，所述壳为包覆碳层。