[发明专利]一种硅基复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法，该硅基复合负极材料包括导电基材和硅基颗粒，硅基颗粒之间通过导电基材联结而形成三维导电网络结构；导电基材为碳纳米管、碳纳米纤维、科琴黑和石墨烯中的至少一种；硅基颗粒为SiO_x颗粒和Si_xFe_y颗粒中的至少一种。相比于现有技术，一方面，通过使硅基颗粒结合导电基材，可以有效提高负极材料的电导率，从而无需在负极配方中另外添加导电剂，进而提高了电池的能量密度；另一方面，导电基材具有一定的缓冲性能，可用来吸收因硅基颗粒膨胀和收缩所引起的应力，提高极片的剥离强度，抑制材料的体积膨胀，进而缓解负极片的变形，保证负极片结构的稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法。

背景技术

由于长期无节制的使用传统的不可再生能源(如煤、石油、天然气等)给环境造成了一系列的环境污染。因此，开发绿色环保无污染的可再生能源迫在眉睫。可充放电锂离子电池由于能量密度高、功率密度大、安全环保等优点受到了人们的关注。在过去的二十年中，锂离子电池在移动电子领域内的应用取得了巨大成功，并被认为是大型储能设备以及电动汽车电池的最佳选择。然而大型储能设备以及动力大电池对锂离子电池的能量密度以及功率密度具有更高的要求，因此开发具有高比容量的正、负极材料是关键。

在负极材料方面，由于传统的商业化石墨的理论比容量为372mAh·g^-1，且实际应用的材料已达到360mAh/g，因此该类材料在容量上几乎已无提升空间，已经很难满足高比能锂离子电池的需求，因此开发高比容量的负极材料刻不容缓。硅负极材料的理论储锂比容量高达4200mAh·g^-1，是商业化石墨负极的10倍，脱/嵌锂电位低(0～0.45V)与石墨的电压平台最为接近，放电平台长且稳定，并被认为是商业化石墨最具前景的替代材料。

然而，硅负极材料的应用存在以下几个问题：首先，硅由于具有较高的理论比容量，在脱/嵌锂过程中存在剧烈的体积效应(体积变化高达300％)，这将会导致电极材料的粉碎，导电网络的破坏，并与集流体失去导电连接。其次，硅在电化学循环过程中由于体积反复不断的收缩/膨胀，将会导致硅材料表面形成的固体电解质保护膜(SEI膜)始终处于动态的破坏-重构的状态，将会造成持续的锂消耗，最终将会导致电池容量的衰减，很难进行商业化应用及生产。

研究表明，硅负极的膨胀失效很大程度上是由于在硅嵌锂和脱锂的过程中巨大的体积膨胀造成Si颗粒产生裂纹和破裂造成的。为了降低硅负极的体积膨胀，人们开发了SiO_x材料，相比于纯Si材料，其体积膨胀明显降低，其与碳复合材料是一种性能较好的硅负极材料，也是目前实际应用较多的一种硅材料，但是该材料在实际使用中仍然存在硅负极失效的问题，研究发现失效与Li⁺嵌入速度和电解液种类，更为关键的是与Si负极的微观结构有密切的关系。