[发明专利]硅负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，公开了硅负极材料及其制备方法和锂离子电池，所述硅负极材料包括含硅物质和含有‑COOR的聚合物，其中，R为H和/或Si，经红外光谱测试，所述硅负极材料的红外谱图中，在1740‑1760cmsupgt;‑1/supgt;处出现振动峰。制备硅负极材料的方法包括：(1)对硅源进行亲水预处理，再进行任选地洗涤、任选地干燥；(2)将步骤(1)得到的产物与含有‑COOH的聚合物和含磷化合物混合，所述含磷化合物选自磷酸盐、亚磷酸盐和次磷酸盐的至少一种；(3)将步骤(2)得到的混合物进行任选地干燥，然后在惰性气氛下进行退火处理，得到硅负极材料。该硅负极材料能够显著抑制硅的体积效应，具有很好的循环稳定性和倍率性能，其制得的锂离子电池具有很高的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

硅作为一种非常具有前景的锂电池负极材料，具有理论比容量高(4200mA·h·g^-1)、适中的脱嵌锂电位、地壳储量丰富等优点。与石墨的脱嵌锂不同，硅在充放电过程中与Li⁺发生合金化反应，严重的体积膨胀导致了SEI膜不可控增长，进而引发电池容量的快速衰减，影响电池的使用寿命。

为解决上述问题，科研人员利用粘接剂构建稳定SEI膜的方法提升硅基材料的综合电性能。例如，科研人员以丁苯橡胶类的粘结剂抑制石墨负极的副反应，以聚丙烯酸类和羧甲基纤维素盐类粘结剂缓解硅负极体积膨胀。

CN106058259A公开一种高比容量硅基负极复合粘结剂及含有该粘结剂的负极片的制备方法。所述高比容量硅基负极复合粘结剂包括羧甲基纤维素钠5-50wt％、聚丙烯酸5-30wt％和丁苯橡胶20-90wt％。所述负极片制备方法包括配胶、加导电剂、加主材料、过筛、涂布、高温聚合处理、辊压和冲片。该方法显著提升了材料的循环稳定性。

CN110137485A公开一种含有表面修饰膜的硅负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。所述方法为：将聚合物溶解到水中，加入硅材料，边加热边搅拌，去除溶液中的水分，获得包覆有聚合物膜A的硅材料；将PAN溶于NMP溶剂中，搅拌使其完全溶解，将包覆有聚合物膜A的硅材料以及导电剂加入到PAN溶液中，边加热边搅拌，去除溶液中的NMP溶剂，得到含有表面修饰膜的硅负极材料。该专利申请在氧化亚硅表面构建聚丙烯酸盐修饰膜，利用该人工修饰膜在锂离子电池充放电过程中形成稳定的、适用于硅负极的SEI膜，提升硅基负极的综合性能。

尽管上述方式部分改善了硅基材料的循环性能，但聚丙烯酸、羧甲基纤维素与硅之间仅通过氢键连接，这种弱键连接的相互作用无法在反复的充放电过程维持，直接导致材料性能恶化。

因此，如何在硅基材料与保护膜/粘接剂之间构建化学键，维持硅基材料与包覆膜/粘接剂之间的结构稳定性，进而提高硅碳复合负极材料的循环性能和比容量，是实现硅基负极实用化必须解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的硅基负极与表面包覆膜或粘接剂之间无法形成稳定化学键，在反复充放电过程中性能恶化，导致循环性能差的缺陷，提供一种硅负极材料及其制备方法和锂离子电池，该硅负极材料能够显著抑制硅的体积效应，具有很好的循环稳定性和倍率性能，其制得的锂离子电池具有很高的能量密度。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硅负极材料，所述硅负极材料包括含硅物质和含有-COOR的聚合物，其中，R为H和/或Si，经红外光谱测试，所述硅负极材料的红外谱图中，在1740-1760cm^-1处出现振动峰。

本发明第二方面提供一种制备硅负极材料的方法，该方法包括以下步骤：

(1)对硅源进行亲水预处理，再进行任选地洗涤、任选地干燥；

(2)将步骤(1)得到的产物与含有-COOH的聚合物和含磷化合物混合，所述含磷化合物选自磷酸盐、亚磷酸盐和次磷酸盐的至少一种；