[发明专利]一种多元复合硅基负极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多元复合硅基负极及其制备方法和应用，该多元复合硅基负极包括铜箔及附着于铜箔表面的活性物质层；活性物质层中包括单质硅、低熔点金属、Cu₃Si和碳；碳包覆于单质硅、低熔点金属和Cu₃Si的表面并呈网络状分布于上述颗粒间。制备方法包括将单质硅粉末、低熔点金属粉末、有机粘结剂与溶剂混合均匀形成浆料，将浆料涂覆在铜箔上，然后依次进行煅烧和热压处理；该热压处理在高于低熔点金属熔点的10～100℃的温度下进行，热压压强为1.2～4.0MPa。该多元复合硅基负极兼具高的容量、良好的循环性能和高的倍率性能，以其为负极组装得到的锂离子电池具有体积比容量和能量密度高、循环性能和动力学性能好的优点。

技术领域

本发明涉及硅基负极材料领域，具体涉及一种多元复合硅基负极及其制备方法和应用。

背景技术

目前我们所用的能源仍主要集中在煤、石油、天然气等化石能源，但随着社会的发展和资源的大量消耗，能源和环境问题不断引起社会各界的广泛重视。锂离子电池作为新一代“绿色”二次电池，因其较高的电压、较大的能量密度、较长的循环寿命等优点，在电动汽车、小型移动家电电源、电网、交通以及电子产品等多种领域中得到了广泛的运用。然而，随着人们对大功率储能器件的要求不断提高，目前作为商用锂离子电池的石墨类碳负极材料已经越来越不能满足高能量密度和高功率密度的使用需求，亟待进一步发展高性能负极材料、负极及其锂离子电池。

在新型锂离子电池负极材料方面，硅负极材料的理论比容量(以形成 Li₁₅Si₄计)高达3579mAh g^-1，是商用石墨负极材料理论容量(372mAh g^-1) 的近10倍。此外，其资源量丰富、成本较低，是一种极具潜力的下一代高容量负极材料。但其还存在以下主要问题，制约其规模化商业应用：一、当锂离子在硅材料中嵌入/脱出时，材料会发生巨大的体积变化(约～300％)，导致材料粉化，使Si颗粒间的电接触下降，也会引起Si材料从集流体上剥落，最终导致循环寿命大幅度衰减；二、循环过程中Si材料的巨大体积变化导致硅颗粒表面与电解液反应生成的固体电解质膜(SEI 膜)不断发生破裂，Si材料的新鲜表面不断暴露在电解液中，并形成新的SEI膜，导致SEI膜厚度不均匀，使得电池库伦效率、循环及倍率性能降低；三、单质硅为半导体材料，其电导率仅为6.7×10^-4S cm^-1，从而使其充放电动力学性能较低。

目前常用的改进硅基复合材料电化学性能的方法主要有：(1)抑制/ 缓冲Si材料的体积膨胀，如纳米化，添加惰性相，构筑特殊结构等；(2) 提高硅基负极的整体导电率，如添加高导电性材料；(3)通过改性以形成均匀稳定的SEI膜，如人工SEI包覆等。然而，纳米材料由于纳米效应，易发生团聚，纳米材料负极还存在体积容量密度低的问题，而高的体积比容量对于实际应用尤为重要。此外，纳米Si基材料通常制备方法复杂，纳米材料电极的涂布工艺要求也较高。在负极材料中添加高导电性材料在硅基负极普遍存在的电极材料和集流体发生剥离的情况下，仍不足以有效防止循环性能的急剧下降。而人工SEI膜的制备通常也需要较复杂的过程。在传统的粉体电极的制备过程中，为了达到电极材料在集流体上的有效附着，都需要通过添加粘结剂，而粘结剂的导电性低通常比较低，也不具有嵌锂活性，这也导致了电极整体容量和电极动力学性能的降低。

因此，亟待发展简单的硅基负极材料及其负极的制备方法，获得兼具高容量，尤其是高的体积比容量、良好循环稳定性和动力学性能兼具的硅基负极材料，以满足实际使用的要求。特别是电极材料高的体积比容量可以减少电池体积，这对于实际应用尤为重要。

发明内容

本发明公开了一种多元复合硅基负极及其制备方法以及其在制备锂离子电池中的应用。该多元复合硅基负极兼具高的容量、良好的循环性能和高的倍率性能，以其为负极组装得到的锂离子电池具有体积比容量和能量密度高、循环性能和动力学性能好的优点。

具体技术方案如下：