[发明专利]一种硅基负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高首效长寿命硅基负极材料及其制备方法和应用，通过高温前处理，使SiO发生歧化反应获得相对均匀硅晶粒尺寸的Si/SiO₂材料，随后在CO₂气氛下Na还原部分SiO₂提高材料首次库伦效率，选用CO₂作为反应气体可以降低SiO₂与Na反应的吉布斯自由能变，使反应在较温和的条件下快速进行。通过化学气相沉积形成均匀致密的碳包覆层提高材料的电子导电率，降低材料电阻。二次导电聚合物包覆改善材料的界面性能，进一步提高材料的循环稳定性。并通过高电导率纳米金属颗粒修饰改善聚合物导电性较差的缺陷。本发明制备的材料制成的锂离子电池，电池的比容量、首次库伦效率和循环稳定性均得到提高，具有极好的应用前景。

技术领域

本发明涉及到一种锂离子电池材料，尤其涉及到一种高首效长寿命硅基负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车与便携式用电器的发展，高能量密度锂离子电池的需求也日益增加。传统石墨负极材料理论比容量仅有372mAh/g，很难满足市场需求。硅材料的首次克容量为4200mAh/g，嵌锂平台更高，地壳储存丰富，对环境友好等优势，逐渐引起研究者的广泛关注。

然而硅的体积膨胀高达300％，在循环过程中，不仅会导致硅与周围的导电炭网络分离，形成“死硅”，还会导致硅与集流体发生剥离。其次，较大的体积膨胀还会导致表面的SEI膜不断重组破坏，使SEI膜越来越厚，不断消耗正极的Li⁺，库伦效率降低。最后，较大的体积膨胀在循环后期导致硅材料粉化，这些问题最终导致循环性能急剧恶化。

由于上述问题，学术界与产业界将部分注意力转移到氧化亚硅上。与纳米硅相比，氧化亚硅虽然牺牲了部分容量，但其膨胀相对较小(～100％)，并且在充放电过程中生成的副产物氧化锂、硅酸锂、偏硅酸锂等可以提供缓冲作用，极大地提高材料的循环性能。但是材料的导电性相对较差，首效较低。Lee D J[Lee DJ,Ryou M H,Lee J N,et al.Nitrogen-doped carbon coating for a high-performance SiO anode in lithium-ionbatteries[J].Electrochemistry Communications,2013,34:98-101.]等通过液相混合+高温碳化的方式制备氮掺杂碳包覆SiO材料，该材料循环相对较好，但首效偏低。JeeHoYom等[Yom J H,Sun W H,Cho S M,et al.Improvement of irreversible behavior of SiOanodes for lithium ion batteries by a solid state reaction at hightemperature[J].Journal of Power Sources,2016,311:159-166.]通过将SiO与锂金属进行固相反应，在进行碳包覆，制备高首效硅基负极材料，该方法提高了材料首次库伦效率，但材料的循环性能相对较差，由于使用锂金属作为反应物，对合成条件相对较为苛刻，存在安全风险，而且在电池合浆过程中存在产气的风险。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高首效长寿命硅基负极材料及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高首效长寿命硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、氧化亚硅在惰性气体保护下进行煅烧，得到煅烧物料；通过高温煅烧前处理，SiO发生歧化反应获得有相对均匀硅晶粒尺寸的Si/SiO₂材料。