[发明专利]一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池

说明书

本发明涉及一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；所述内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料的通式为M_xSiO_y，1≤X＜6，3≤y＜6，元素M包含Mg、Ni、Cu、Zn、Al、Na、Ca、K、Li、Fe、Co中的一种或多种；晶粒尺寸为0.5nm‑100nm；改性氧化亚硅材料中，硅酸盐材料的含量占改性氧化亚硅材料总质量的5％‑60％；弥散分布的硅酸盐材料构成硅基负极材料的骨架结构，不随硅基负极材料在循环过程中的脱锂和嵌锂而发生理化反应，且在多次循环后保持原始结构不变。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。

背景技术

新能源汽车对长里程的追求对电池的能量密度提出了更高的要求。为了使电动汽车性价比达到最佳，单体电池的能量密度需达到350Wh/Kg(750Wh/L)。为了提高电池的能量密度，国内外电池材料厂致力于开发更高容量密度的正负极活性材料。

硅基负极是目前商业上主要研发的高能量密度负极材料。金属硅的理论容量高达4200mAh/g，但是在嵌锂形成Li₂₂Si₅合金的过程中伴随着约300％的体积膨胀，将会导致电极材料结构崩坍、固体电解质界面(SEI)不断破坏再生成过程，使得金属硅的循环性能特别差。

氧化亚硅(SiO_x)相比于硅容量小，但对于缓解体积膨胀提高电池的循环寿命有着明显的优势。理想的SiO_x具有硅纳米团簇均匀分散于SiO₂基质中的结构，在首周嵌锂时，锂与二氧化硅反应会生成多种不可逆的锂氧化物，这些不可逆产物会作为硅体积膨胀的缓冲带，抑制硅的体积膨胀。但是缓冲带的作用是有限的，并不能使SiO_x的循环性能达到可实际应用的标准。

为了降低硅基负极的膨胀，国内外研究人员通过活性物质纳米化、设计多孔结构、掺杂等方向进行了研究探索。专利CN 103682287 A设计了纳米硅颗粒内嵌在空心石墨内层的结构，通过纳米化和空心结构的设计，提高了硅负极的循环性能。文献(Zhaolin,Li,Hailei,等.Watermelon-Like Structured SiOx–TiO₂@C Nanocomposite as a High-Performance Lithium-Ion Battery Anode[J].Advanced Functional Materials,2016.)报道了具有核壳结构的氧化亚硅-二氧化钛@碳(SiOx-TiO₂@C)复合纳米材料，TiO₂脱嵌锂时体积变化小，将其分布于SiO_x基质中，可起钉扎效应，提高SiO_x颗粒的结构稳定性，有效改善SiO_x材料在高电流密度充放电下的循环特性。

但目前而言，硅基负极体系的性能改善仍然面临着纳米颗粒大规模制备和分散、多孔结构稳定性设计、掺杂稳定性等难题。硅基负极的体积膨胀大循环性能差的问题还未得到真正有效的解决。

发明内容

本发明实施例提供了一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料、负极片和锂电池。通过向传统氧化亚硅材料中引入硅酸盐材料在其中弥散分布，对氧化亚硅材料改性作为硅基负极材料，弥散分布的硅酸盐材料构成硅基负极材料的骨架结构，面对硅基负极的体积膨胀，硅酸盐骨架能起到钉扎作用，减缓形变应力，有利于提高材料的循环性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种含硅酸盐骨架的硅基负极材料，所述硅基负极材料包括内部具有硅酸盐材料弥散分布的改性氧化亚硅材料；