[发明专利]一种锂离子电池硅氧负极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅氧负极材料及其制备方法、锂离子电池，所述锂离子电池硅氧负极材料为核壳结构，所述核壳结构由内核和包覆层组成，所述内核为硅氧化物和元素掺杂石墨的混合物，所述包覆层为有机物热解碳；其中，所述元素为H、S、P、Cu、Fe、Ni中的至少一种。本发明的负极材料首次库仑效率高，使用寿命长，具有高倍率性能。

技术领域

本发明涉及了锂离子电池技术领域，特别是涉及了一种锂离子电池硅氧负极材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因高能量密度、优异的循环寿命、高工作电压、较低的自放电率、环境友好等突出优势，在当下便携式电子设备电源领域占据着主导地位，也是电动汽车和储能领域的理想电源。2015年，全球的锂离子电池产业规模达到523亿美元，呈现了巨大市场价值，中国所占的市场份额也达到了49.2 %。在汽车行业，目前很多国家把电动汽车作为汽车行业的未来发展方向，得到许多国家的政策支持。

石墨类负极材料（理论容量仅372 mAh∙g-1）是目前商业化锂离子电池使用的主要负极材料，已不能满足下一代高比能量锂离子电池的需求。因此，寻找超高储锂能力的负极材料以替代石墨类材料一直是锂离子电池领域的研究热点。在非碳负极材料中，硅基材料以其超高的容量优势和适宜的脱/嵌锂电位成为最有前途的下一代锂离子电池负极材料之一，然而硅基材料因与锂合金化时巨大的体积效应造成了容量的快速衰减，另外，硅本身的电导率较低也制约了其电化学性能尤其是倍率性能。硅基材料与碳材料的复合可以有效缓冲硅的体积效应并提高材料的导电性，获得性能优异的硅-碳复合材料可以加速硅基材料的应用化进程。

在硅基材料中，硅氧化物的首次嵌锂容量为2615mAh/g，虽然比单质硅的理论嵌锂容量4200mAh/g低很多，但仍远高于传统石墨负极，与单质硅300％的嵌锂/脱锂体积膨胀相比，硅氧化物的膨胀只有160％。此外，硅氧化物在锂离子嵌入过程中会形成不可逆的氧化锂(Li2O)和硅酸锂 (LixSiyOz)副产物，其可作为天然缓冲层缓解硅锂合金LixSi在锂离子嵌入时的体积膨胀，避免硅材料膨胀过大引起的颗粒破碎、材料表面SEI膜不稳定、持续消耗电解液中活性Li离子以及最终的循环寿命衰减过快等问题，因此以硅氧化物为负极的电池循环寿命和容量保持率往往比普通硅碳材料更高。

然而，硅氧化物在电池首次充电嵌锂的过程中吸收锂离子会形成副产物氧化锂和硅酸锂，该副产物在放电过程中不能完全脱出其在充电过程吸收的锂离子。这种不可逆反应会造成电池中大量活性锂离子的损失，形成不可逆容量。因此，传统硅氧化物负极的首次库伦效率低，限制了这类材料的发展。

另外，发明人在实现本申请实施例的过程中发现，硅氧化物和石墨的复合负极材料的倍率性能一般，难以满足过高倍率充放电的要求。

因此，有必要开发出更多新的具有出色高倍率性能的锂离子电池硅氧负极材料。

发明内容

为了弥补已有技术的缺陷，本发明提供一种锂离子电池硅氧负极材料及其制备方法、锂离子电池。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种锂离子电池硅氧负极材料，所述锂离子电池硅氧负极材料为核壳结构，所述核壳结构由内核和包覆层组成，所述内核为硅氧化物和元素掺杂石墨的混合物，所述包覆层为有机物热解碳；其中，所述元素为H、S、P、Cu、Fe、Ni中的至少一种。

一种锂离子电池硅氧负极材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将石墨和元素掺杂剂在惰性气氛下进行高速球磨，得到混合料；其中，所述石墨和元素掺杂剂的质量比为（10-100）：1；

（2）将硅氧化物加入到上述混合料中继续球磨，得到硅氧化物和元素掺杂石墨的混合物；

（3）将所述硅氧化物和元素掺杂石墨的混合物、有机碳、和有机溶剂进行混合，在惰性气氛下进行干燥造粒，获得负极材料前驱体；