[发明专利]一种氧化亚硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化亚硅负极材料及其制备方法。所述氧化亚硅负极材料具有以下特征：对其进行铜靶X射线衍射分析，可以确定其包含Si，Mg₂SiO₄，MgO晶体结构，位于22.8°的Mg₂SiO₄（021）晶面的衍射峰强Ia与位于42.7°的MgO（200）晶面的衍射峰强Ib的比满足1≤Ia/Ib≤3，优选1.5≤Ia/Ib≤2.5，位于28.4°的Si（111）晶面的半高宽Fa与Mg₂SiO₄（021）晶面的半高宽Fb满足1≤Fa/Fb≤3.5，优选1.5≤Fa/Fb≤3，且根据谢勒公式计算出的Si（111）晶面晶粒尺寸≤25nm。该负极材料具有较高的首效和较优的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种高首效氧化亚硅负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着碳达峰、碳中和目标的提出，人类社会的能源转型已经成为必然，车辆的电动化趋势也越发明确。因此，需要开发高能量密度的二次电池。

在众多的二次电池中，锂离子二次电池具有更高的能量密度，且技术较为成熟，因此备受期待。

锂离子二次电池的主要成分为正极材料、负极材料、隔膜和电解液。

目前，在负极材料领域，应用最为广泛的是碳材料。然而碳材料的理论比容量仅为372mAh/g，且目前已经开发至365mAh/g，几乎没有提升空间。考虑到动力电池对于更高能量密度的需求，需要进一步提升负极材料的比容量。硅的理论比容量为3568mAh/g(Li₁₅Si₄)，几乎为碳材料的10倍，因此被寄予厚望。

然而硅的缺点也很明显。当硅作为负极材料使用时，其嵌锂过程为合金化反应，充放电过程伴随着巨大的体积变化，变化率＞300％。巨大的体积变化一方面导致材料因内应力而粉化，另一方面也带来了新的界面，与电解液接触形成新的固体电解质膜，导致电解液的持续消耗。因而硅作为负极材料使用时循环性能很差。此外，硅作为半导体，导电性也较差。

截止到目前，为了改善硅的缺点，提升其循环性能，已经进行了各种各样的研究。克服体积变化效应的几种有效措施分别为：减小硅的中值粒径至150nm及以下，对硅进行物理限域，预留空间容纳体积变化。提升导电性的有效措施是进行碳包覆。氧化亚硅作为一种无定形材料，经过一定的热处理，可以得到硅晶粒分布于基体中的结构，这样相当于既减小了硅的中值粒径，又对其进行了一定程度的物理限域，因此相对于硅，氧化亚硅的循环性能有所提升。

然而，由于氧化亚硅中氧元素的存在，在首次嵌锂的过程中，会生成硅酸锂等电化学惰性物质，这就导致氧化亚硅作为负极材料使用时首效偏低。

针对氧化亚硅首效偏低的缺点，也已经进行了各种各样的研究。例如，通过预锂化的手段提前补充生成电化学惰性物质所要消耗的锂。通过其他金属元素的掺杂替代生成电化学惰性物质所要消耗的锂。然而，预锂化的反应条件较为苛刻，需要在无水无氧的环境中进行，工业化难度非常大。且预锂化后的材料碱性很强，在应用中对制浆过程的挑战较大。其他金属元素掺杂往往是在合成氧化亚硅时进行，对设备要求非常高。因此开发一款首效和循环性能接近于碳材料的硅基负极材料成为一种期待。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种高首效氧化亚硅负极材料及其制备方法。所述负极材料可以提高锂离子二次电池的初始充放电性能及能量密度。

为了达成上述发明目的，本发明的技术方案如下：