[发明专利]一种负极材料、制备方法、设备、锂离子电池

说明书

本发明公开了一种负极材料及其制备方法、设备、锂离子电池，将碳包覆硅氧粉体与雾化处理的锂源于惰性气氛下均匀混合，混合温度为190℃～350℃。将锂源雾化为液滴状，与碳包覆硅氧粉体混合更加均匀，可有效避免局部过度锂化反应而引起Li₄SiO₄、Li₂SiO₃、Li_xSi等富锂产物的生成，有效提高硅氧负极材料的首次效率，且有效遏制了水系浆料产气现象的发生，显著提升了硅氧负极材料应用于电池制备过程中浆料的稳定性，适用性提高，也提高了材料容量、且混合温度高于锂的熔点，确保在混合过程中锂的雾化液滴状，确保混合均匀，过程可控性高。制备工艺简化，降低对条件、设备的要求，成本降低，便于大规模应用。

技术领域

本发明涉及储能电极材料技术领域，具体涉及一种负极材料、制备方法、设备、锂离子电池。

背景技术

当前所用的主流单一石墨负极材料，应用已经非常广泛，但容量已做到360mAh/g，接近372mAh/g的理论克容量，再想提升空间已很难实现。负极材料中硅的理论容量最高，Li和Si形成合金Li_4.4Si，容量高达4200mAh/g，远大于石墨的理论容量。然而，与石墨的插层反应机理不同，硅的合金化反应机理使其充放电过程中高达300％的体积效应阻碍了实际应用。

相比单质硅，氧化亚硅本体中含有超细纳米硅晶簇，可以避免脱嵌锂过程中巨大的体积效应而引起结构的破坏。而且本体中存在的SiO₂组份作为一种天然的载体，不仅有效的阻隔了纳米硅晶簇的团聚，同时作为缓冲介质，降低了脱嵌锂离子过程中释放的应力，此外氧化亚硅同样具有较高的理论比容量，因此，被认为最有希望得到应用的负极材料之一。

尽管氧化亚硅有上述优点，但氧化亚硅由于在首次嵌锂过程中生成硅化锂、硅酸锂及氧化锂，而硅酸锂和氧化锂不会在后续脱锂过程中将锂离子释放出来，导致SiO低的首次效率。当与现有正极体系匹配制作全电池时，正极有限的锂离子在首次充电嵌入SiO后，无法有效脱出，硅基高容量的特性难以发挥。因此，研究一种首次效率高、高容量的硅氧负极材料很有必要。

现有的提高硅氧负极材料的首次效率、容量方法有：一是采用两步，首先将碳包覆硅氧化物与锂源固相混合；然后在混合得到的预锂前驱体在真空或非氧化性气氛下热处理而得。该工艺制备有效提升了硅氧的首次效率。然而由于硅氧与锂源为固相混合，均匀性很难保证。而且即使将锂源进行球磨或粉碎等方式细化粒径，一方面导致锂源比表面增大，容易团聚而不利于均匀分散，另外经细化的锂源活性增大，在使用和转移过程中容易产生安全问题。此外，固相无法做到均匀的混合，导致局部存在锂与硅氧化物过度反应，而导致富锂化物如高反应活性的Li_xSi、及水溶性高的如Li₄SiO₄、Li₂SiO₃硅酸盐的生成，而导致在后期应用在水系浆料中产气、沉降等加工问题的发生。二是将气态锂掺杂到原始负极材料中，此制备工艺中采用的补锂方法是将金属锂或含锂的原料和负极材料前驱体原料在一定负压作用下同时气化，两种气态物质混合、冷却后沉积。然而Li蒸汽与SiO_X蒸汽密度差异大，所以在混合时极易导致分层问题，因此这种方法在实际操作时很难使锂源和负极材料混合均匀，且为了制备Li与SiO_x蒸汽，需要高温且负压状态，能耗大且对设备要求苛刻，成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的硅氧负极材料首次效率低、容量低，且制备工艺复杂、对条件和设备要求高、成本高、过程不易控制，且制得的负极材料在后续应用存在问题，目的在于提供一种负极材料、制备方法、设备以及锂离子电池应用，解决了以上问题。

本发明通过下述技术方案实现：