[发明专利]LixSi复合材料及其制备方法和锂离子电池负极材料

说明书

本发明公开了一种Li_xSi复合材料及其制备方法和锂离子电池负极材料。该Li_xSi复合材料，其包括内核和包覆于内核表面的壳层，内核为Li_xSi纳米颗粒，壳层为人工SEI膜；其中，人工SEI膜由连续分布的LiF薄膜以及聚合态的含F高分子层构成。通过“液相界面反应”在Li_xSi纳米颗粒表面包覆一层连续，均匀且致密的人工SEI膜，从而提升Li_xSi复合材料环境适应能力，且Li_xSi复合材料能够在潮湿的空气中，NMP,乙醇及水溶剂中保持长期的化学和结构稳定性。该Li_xSi复合材料用作锂离子电池负极时，可以有效电池的首次库伦效率，能量密度以及循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种Li_xSi复合材料及其制备方法和锂离子电池负极材料。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高，充电速度快及无记忆效应等优点，被广泛应用于诸如电子产品、动力汽车，新型储能等领域中。石墨作为常见的负极材料，其良好的结构和较高的锂离子/电子迁移速率提供了其出色的循环和倍率性能。然而，石墨负极普遍具有较低的理论容量(372mAh/g，LiC₆),极大地限制了电池能量密度的提升。

近年来，随着社会对能源需求的不断增加，寻找和开发具有更高容量的负极材料已经成为重点的研究方向。目前，硅基材料具有普遍较高的理论容量(3579mAh/g，Li_3.75Si)，是目前商业化的石墨负极的10倍以上，具有极大的应用前景。然而，硅基负极材料的应用也面临着两大挑战。其一是硅基材料在充放电过程中承受的巨大的体积变化容易导致颗粒的破碎，这将导致颗粒表面SEI的持续破碎与重组，因而降低了电池的首次库伦效率值，以及能量密度和循环寿命。针对此问题，目前主要是通过优化硅基材料结构的方式来提高硅基负极材料的循环寿命。其二是硅基材料普遍具有较低的库伦效率值。这主要是由于电极在运行过程中形成了大量不可逆的SEI，Li_xSiO_y，以及死锂等成分导致的。这将严重地消耗了电池体系中的活性锂，降低常规硅基电池的能量密度和循环寿命。

针对硅基材料面临的以上两个问题，研究人员首先通过电沉积，磁控溅射，与锂粉复合等方式对硅基电极进行预锂处理，随后与常规正极匹配组装成全电池，以提高锂化硅基负极电池的能量密度和循环寿命。然而，常规的硅基材料锂化操作复杂，安全性低，且所得产品对周围的环境中的水，氧分子非常敏感，很难应用于大规模的生产。

目前，除了采取对硅基电极极片进行直接预锂的方式，硅基材料的粉体预锂技术具有精度可控，操作性强等优势也引起了研究者的注意。例如，崔屹及合作者通过热熔融过程制备一种具有“三明治”结构的Li_xSi/石墨烯复合材料。其中，高活性的Li_xSi颗粒可以及时地补充在SEI形成过程以及随后的电池循环过程中的锂离子的持续消耗。当用作为锂离子电池负极时，该Li_xSi/石墨烯电极在经过400圈循环后仍具有高达98％的容量保持率。甚至，LixSi/石墨烯电极暴露于干燥房中两周后，电极仍具有高达94.3％的首次库伦效率值。然而，由于该电极结构中的外层石墨烯与内部Li_xSi颗粒具有较大的空隙，环境中的水，氧等小分子能缓慢地扩散进入导致电极的内部，与Li_xSi颗粒接触而导致该电极的逐渐失效。因此，该Li_xSi/石墨烯复合电极并不能在潮湿环境，和常规溶剂中使用。

因此，针对于上述问题，亟需开发一种具有高耐水，氧特性及循环稳定性能优异的Li_xSi复合材料，这对于未来发展高比能锂离子电池至关重要。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Li_xSi复合材料及其制备方法和锂离子电池负极材料，以改善上述技术问题。