[发明专利]一种具有良好电化学性能的锂电池硅氧复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池，公开了一种具有良好电化学性能的锂电池硅氧复合负极材料及其制备方法，本发明硅氧复合负极材料以表面分布有碳纳米材料和固态电解质的氧化亚硅为内核，在内核外包覆有一层非晶碳，非晶碳包覆层能够缓解材料充放电过程中氧化亚硅颗粒的膨胀和粉化，并与碳纳米材料的形成导电骨架，电子导率和离子电导率高，从而改善重复地嵌脱锂过程中造成的电接触失效问题。此外引入固态电解质可改善锂离子在界面处的锂离子迁移并减少界面副反应，从而兼顾硅氧复合负极材料的倍率和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种具有良好电化学性能的锂电池硅氧复合负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着便携式电子设备的广泛运用及电动汽车的日益普及，传统碳负极材料的能量密度远远不能满足现有市场的需求。硅氧负极材料因具有较高的理论比容量(2680mAh/g)而得到广泛研究，但硅氧负极材料在锂电池负极领域应用仍存在问题：

1)硅氧负极材料在充放电过程中体积膨胀可达200％，颗粒结构极易遭受破坏，造成颗粒表面SEI膜的不可控生长。此时，硅氧负极材料与电解液间的界面会发生较多的副反应并消耗电解液，造成的高电子离子传输阻力显著影响循环及倍率性能；

2)硅氧负极材料的电子电导率和离子电导率都较低，导致纯硅氧负极材料的首次效率、循环和倍率等电化学性能不佳。

现有关于硅氧复合负极材料的研究，解决硅氧负极材料体积膨胀粉化和低电导率的方法主要为减小粒径和包覆非晶导电碳层。但是单一地减少粒径往往导致硅氧颗粒和电解液接触的面积更大，充放电过程中更易消耗电解液。包覆非晶碳层能够提高电子电导率与缓解颗粒破碎问题，仍存在循环膨胀后颗粒间失去电接触、离子电导率提升有限等不足。

发明内容

为了解决现有硅氧负极材料体积膨胀粉化、电子导率低和离子电导率低的问题技术问题，本发明提供了一种具有良好电化学性能的锂电池硅氧复合负极材料及其制备方法。本发明硅氧复合负极材料以表面分布有碳纳米材料和固态电解质(两种形式)的氧化亚硅为内核，在内核外包覆有一层非晶碳，非晶碳包覆层能够缓解材料充放电过程中氧化亚硅颗粒的膨胀和粉化，并与碳纳米材料的形成导电骨架，电子导率和离子电导率高，从而改善重复地嵌脱锂过程中造成的电接触失效问题。此外引入固态电解质可改善锂离子在界面处的锂离子迁移并减少界面副反应，从而兼顾硅氧复合负极材料的倍率和循环性能。

本发明的具体技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种具有良好电化学性能的锂电池硅氧复合负极材料，其以表面分布有碳纳米材料和固态电解质的氧化亚硅为内核，以包覆于所述氧化亚硅表面的非晶碳为包覆层；所述碳纳米材料和固态电解质以分散形式或以碳纳米材料改性固态电解质的形式分布于氧化亚硅表面；其中，所述氧化亚硅的占比为70-98wt％，所述碳纳米材料的占比为0.01-5％，所述固态电解质的占比为0.01-10％，所述非晶碳的占比为1-15％。本发明在硅氧复合负极材料结构设计独特，在非晶碳包覆氧化亚硅颗粒基础上引入碳纳米材料和固态电解质，碳纳米材料和固态电解质通过非晶碳包覆层的化学键作用牢固、均匀地结合在氧化亚硅颗粒表面，能够改善硅氧材料的颗粒粉化、电子电导率和离子电导率低的问题。非晶碳包覆层的限制作用，由于能够避免硅氧颗粒嵌脱锂造成的结构粉化失效问题，碳纳米材料与非晶碳可形成导电骨架，协同作用能够解决颗粒间、颗粒与集流体间的电子传输问题，避免重复地嵌脱锂过程中造成的电接触失效。而固态电解质与非晶碳共同作用可明显改善硅氧负极与电解液的界面稳定性，减少锂离子嵌入脱出与电解液发生的界面副反应，避免电解液消耗过快与产气问题，从而能够使材料同时具备优异的倍率性能和循环性能。