[发明专利]一种负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明提供了一种负极材料及其制备方法和锂离子电池。所述负极材料包括纳米硅、硅氧化物和晶质的Li₂Si₂O₅，其中Li₂Si₂O₅晶粒尺寸＜20nm。所述制备方法包括：1)对硅氧材料在保护性气氛或真空下进行热处理，得到热处理硅氧材料；2)在保护性气氛下，将热处理硅氧材料与锂源混合，并在保护性气氛下，进行烧结，得到所述负极材料。本发明提供的负极材料通过对硅氧材料进行锂掺杂，大幅提高了材料的首次库伦效率，并且通过控制生成的硅酸锂的晶粒尺寸，最终使材料在获得高的首次库伦效率的同时，提高了材料的循环性能。将硅酸锂制备成较小的晶粒尺寸，更好地保证锂离子顺畅地完成嵌/脱锂反应，表现出良好的倍率性能。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，涉及一种负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

作为一种新型的锂离子二次电池负极材料，硅氧材料因容量高而成为现今研究的热点。但是相比传统的石墨负极材料，硅氧材料的首次库伦效率较低，循环性能和倍率性能更差，因而限制了它的商业化应用。

硅氧材料在首次充电时，会消耗锂而生成没有电化学活性的硅酸锂和氧化锂，导致其首次库伦效率的下降。因此，许多的研究者针对这一问题，使用预先补锂的方式进行改善。

CN109155407A公开了一种含有SiOx以及Li₂Si₂O₅的负极活性材料，提高了循环性能和初始充放电特性。CN107851789A公开了一种含Li氧化硅粉末，含有晶态Li₂Si₂O₅和Li₂SiO₃，改善了材料的循环特性。CN105684197B公开了一种负极含有SiOx、Li₂Si₂O₅和Li₂SiO₃的负极材料，并且发现限定XPS测试中硅峰的强度，可以获得良好的循环特性和初期充放电特性。

但是，上述三个方案对于Li₂Si₂O₅和Li₂SiO₃等硅酸锂的晶粒对材料的性能影响并未考虑，并且硅酸锂在晶化过程，也会促进硅的晶粒长大，材料的循环性能仍难以满足应用要求。

CN107112521A公开了一种负极活性材料，使用硅和硅酸锂混合的方式制备，并通过球磨等方式来降低两者的晶粒尺寸，但是由于硅和硅酸锂本身晶粒较大，难以将两者的晶粒尺寸控制在合适的大小，因而材料的性能还需要更多地改善。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种负极材料及其制备方法和锂离子电池。本发明提供的负极材料通过控制硅酸锂的晶粒尺寸，最终使负极材料在获得高的首次库伦效率的同时，提高了材料的循环性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种负极材料，所述负极材料包括纳米硅、硅氧化物和晶质的Li₂Si₂O₅，其中Li₂Si₂O₅晶粒尺寸＜20nm。

本发明提供的负极材料中，Li₂Si₂O₅晶粒尺寸＜20nm，例如晶粒尺寸为19nm、18nm、17nm、16nm、15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm、9nm、8nm、6nm或5nm等。