[发明专利]一种高容量复合负极材料、制备方法及包含其的锂离子电池

说明书

本发明公开了一种高容量复合负极材料、制备方法及包含其的锂离子电池，属于新能源材料技术领域。本发明所述方法包括以下步骤：1)将有机碳源、纳米硅和氧化亚硅混合并球磨，再机械融合，得到碳化前驱体；2)对碳化前驱体进行热处理，得到复合负极材料。本发明的方法综合了两种高容量负极，通过特定的工序设计，制备得到了高性能的复合负极材料，该复合负极材料不仅容量和能量密度高，而且接触性和导电性均得到大幅提高，界面电阻小，体积膨胀小，降低了副反应，确保电芯体积膨胀在合理范围内，保证电芯安全。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种复合负极材料、制备方法及包含其的锂离子电池，尤其涉及一种高容量复合负极材料、制备方法及包含其的锂离子电池。

背景技术

随着时代的需求飞速发展，锂离子电池的能量密度以每年7％～10％的速率提升。2016年，我国发布了动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350W˙h/kg。

我国作为国际上最大的汽车生产国和消费市场，一直致力于推广新能源汽车产业。2015年下半年，科技部发布的《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿)》，其中明确要求申报项目的企业到2020年底动力电池单体能量密度不低于300Wh/kg。因此，开发新型正负极材料体系来提高动力电池的能量密度已迫在眉睫。

硅基材料作为锂离子电池负极具有容量高、来源广泛以及环境友好等优势，有望替代目前应用广泛的石墨负极成为下一代锂离子电池的主要负极材料。本文从材料选择、结构设计以及电极优化方面简要介绍了硅/碳复合材料的最新研究进展，并对未来发展方向进行了展望。

为满足新一代能源需求，开发新型锂电负极技术迫在眉睫。

硅在常温下可与锂合金化，生成Li1₅Si₄相，理论比容量高达3572mA˙h/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mA˙h/g)，在地壳元素中储量丰富(26.4％，第2位)，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(～300％)，巨大的体积效应及较低的电导率限制了硅负极技术的商业化应用。为克服这些缺陷，研究者进行了大量的尝试，采用复合化技术，利用“缓冲骨架”补偿材料膨胀。

碳基负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。

在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

在石墨负极掺杂其他元素或者化合物能显著提高石墨负极的容量和电化学性能，其中硅的储锂理论容量是石墨容量的10倍以上，可以达到4200mAh/g，是所有可以提高石墨负极的掺杂元素中理论容量最高的。另外硅的安全性能优于石墨负极材料，这是因为硅的电压平台高于石墨，所以在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性。同时作为自然界最丰富的元素之一，硅的来源广，制作成本低。三元NCA硅碳材料体系由于其在能量密度上的独特优势受到越来越多电池制造厂家和材料研究者的重点关注。