[发明专利]凝胶型硅基负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池

说明书

本发明公开了一种凝胶型硅基负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池。所述硅基负极材料包括导电聚合物凝胶和粉体硅源，其中导电聚合物凝胶为三维网状结构，粉体硅源表面被导电聚合物凝胶包覆且分散在导电聚合物凝胶的三维网状结构的骨架中。所述硅基负极材料制备方法包括导电聚合物在粉体硅源分散液中在超声条件下进行原位聚合的步骤。本发明所提供的硅基负极材料可以显著改善硅基负极材料的循环稳定性，应用于锂离子电池中可以提高锂电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及硅基负极材料及其制备方法，以及该硅基负极材料在锂离子电池中的应用。

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)、脱嵌锂电压平台(～0.4V vs Li⁺/Li)低、地壳储量丰富等优点。但硅作为半导体，导电性差，严重影响材料电学性能的发挥，且充放电过程中硅与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，引发电池容量的快速衰减，影响电池的使用寿命。

导电聚合物具有易合成、电导率高、稳定性好、环境无毒性和可逆的氧化还原特性等优点，近年来已经被广泛地应用在锂离子电池正极材料的改性研究中。CN102185140B采用聚苯胺等导电聚合物包覆磷酸铁锂正极材料，显著提升磷酸铁锂的导电性，改善了材料的综合电性能。CN110854363A公开了苯胺、噻吩、吡咯等与二硫化物制备的高分子包覆电极材料，改善了材料的导电性和电化学性能，但所用二硫代二苯胺和二烯丙基二硫化物价格昂贵，不利于规模生产。

因此，开发电化学性能优异、制备工艺简单、成本低廉的导电聚合物包覆硅基负极属于该领域的技术难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中硅基负极导电性不佳，在反复充放电过程中性能恶化的问题，提供了一种凝胶型硅基负极材料及其制备方法，以及该凝胶型硅基负极材料在锂离子电池中的应用。

本发明第一方面提供了一种凝胶型硅基负极材料，所述硅基负极材料包括导电聚合物凝胶和粉体硅源，其中导电聚合物凝胶为三维网状结构，粉体硅源表面被导电聚合物凝胶包覆且分散在导电聚合物凝胶的三维网状结构的骨架中。

上述技术方案中，所述的导电聚合物为有机酸掺杂的导电聚合物。所述有机酸选自植酸、柠檬酸、丁二酸、酒石酸中任意一种或多种。所述有机酸掺杂量，使有机酸与导电聚合物所用单体的摩尔比1:2-10。

上述技术方案中，所述粉体硅源与所述导电聚合物以R(O)-O-Si键结合。其中，R为P或C。

上述技术方案中，所述硅基负极材料还包括添加剂，其中添加剂选自天然石墨、人造石墨、碳纳米管、炭黑中的任一种或多种。

上述技术方案中，导电聚合物为聚苯胺、聚苯胺衍生物、聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物中任意一种或多种。

上述技术方案中，所述粉体硅源为单质硅、硅氧化合物(SiOx，0.6x1.5)、硅合金中的至少一种。

上述技术方案中，所述硅基负极材料的总质量为基准，所述粉体硅源的含量为5％-75％，所述导电聚合物凝胶以导电聚合物计的含量为5％-95％，所述添加剂的含量为0-50％。优选地，所述硅基负极材料的总质量为基准，所述硅源的含量为5％-50％，所述导电聚合物凝胶以导电聚合物计的含量为5％-65％，所述添加剂的含量为30％-50％。

本发明第二方面提供了一种凝胶型硅基负极材料的制备方法，包括：

导电聚合物在粉体硅源分散液中在超声条件下进行原位聚合的步骤。

上述技术方案中，导电聚合物为聚苯胺、聚苯胺衍生物、聚噻吩、聚噻吩衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物中任意一种或多种。