[发明专利]原位聚合包覆改性硅基负极材料的制备及其应用

说明书

本发明公开了一种原位聚合包覆改性的硅基负极材料的制备及其应用，硅基材料表面包覆有无机物与聚合物的复合包覆层，所述硅基负极材料通过深共熔溶剂作用，使聚合物的单体在硅基材料表面原位聚合反应得到无机物均匀分布在聚合物中的复合包覆层；所述无机物为锂盐，所述复合包覆层厚度为5‑15nm。复合包覆层通过掺杂有无机物的聚合单体原位聚合的方式，在材料表面构筑有机无机复合包覆层。该负极材料在初始锂化/去锂化过程中，原位形成一层有机无机复合的人造固态电解质界面（SEI），维持嵌/脱锂过程中的结构完整，且富锂无机物的添加减少了锂离子的不可逆消耗，提高了负极材料的首次库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，尤其涉及一种原位聚合包覆改性的硅基负极材料的制备及其应用。

背景技术

伴随着电动汽车、储能电站及便携式电子设备等领域的快速发展，对电源能量密度的需求日益增高，高比能锂离子电池受到越来越多的关注。现有的商业化锂离子电池体系难以满足需求，石墨负极理论比容量较低（372 mAh/g），正极材料的比容量提升空间较小，因此，寻找一种新型高比容量负极材料刻不容缓。硅的理论比容量高达4200 mAh/g，且因储量丰富、价格低廉等优势，得到了广泛关注，应用潜力巨大。但是，由于硅在充放电过程中不可避免的巨大体积变化（~300%），会导致颗粒破碎、电接触失效及活性物质损失等一系列问题，进而导致硅基负极材料首效低、循环性能较差，使得硅基负极材料在实际应用中受到了很大的局限。除此之外，在电池循环过程中，由体积膨胀带来的固态电解质界面（SEI）不断形成—破坏—再生的过程中，锂离子不停的被消耗，导致活性锂损失。这些过程以协同方式加速了硅基电极崩塌和容量衰退。尽管目前已经对硅基材料进行了许多结构设计和优化，但在实际应用中仍然面临很多问题，例如导电性差、循环稳定性差以及首次库伦效率低等问题。

现有的技术中，有关于硅材料表面有机聚合物包覆，也有关于无机化合物包覆提高负极材料电学性能的相关研究，但是由于二者包覆方法、改性原理不同，目前无法综合二者改性的优势，在硅负极材料表面形成均匀、有效的无机物-有机物复合包覆层，硅负极材料体相不均匀，包覆层中无机物与有机聚合物分布不均匀，仍然无法解决负极材料非活性物质增加以及负极材料在嵌脱锂过程中的体积膨胀问题。

为了解决上述问题，研究人员提供了多种方式，例如通过硅基材料表面碳包覆及金属掺杂等提高导电率；优化电极结构设计：纳米颗粒、纳米线、多孔材料、复合材料和表面包覆等改善循环性能；此外，还通过优化电解液配方、加入电解液添加剂、优化粘结剂等方法提高循环稳定性；通过前端预锂化策略来提高硅基负极材料的首次库伦效率，但是上述方法均停留在单一改性的范畴内，效果有限，而且工艺复杂。因此，开发一种工艺简单，性能优异且环境友好的硅基负极材料的制备方法是锂离子电池领域的重要研究方向。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种原位聚合包覆改性的硅基负极材料及其制备方法，本发明制备的原位聚合包覆改性的硅基负极材料结构稳定，在所制备的锂离子电池充放电过程中体积膨胀小，具有高的首次库伦效率和优异的循环稳定性。

本发明提出了一种原位聚合包覆改性的硅基负极材料，是硅基材料表面包覆有无机物与聚合物的复合包覆层，所述硅基负极材料通过深共熔溶剂作用，使聚合物的单体在硅基材料表面原位聚合反应得到无机物均匀分布在聚合物中的复合包覆层；所述无机物为锂盐，所述复合包覆层厚度为5-15nm。

所述深共熔溶剂是氯化胆碱型深共熔溶剂。由于深共熔溶剂（DES）的加入，在提高无机物、单体的溶解性的基础上，利用溶剂氢键作用形成混合溶剂中既有离子也有分子，从而优化硅材料与无机物、聚合单体之间的界面连续性，利于将无机物均匀分布于有机聚合物包覆层中，体系均相分布，提高负极材料电学性能的同时减少负极材料膨胀问题。

所述的原位聚合是单体在硅基材料表面通过阳离子引发开环聚合或自由基引发碳碳双键聚合方式进行的。