[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及负极材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，本申请提供的制备方法，通过溶胶‑凝胶法合成单分散的SiOC微球，并在材料中引入电化学活性纳米金属单质，以及对硅基材料进行结构、形貌设计，减少硅基材料硅的占比，使SiOC负极材料的体积膨胀率、倍率性能、首效和循环稳定性均得到有效提升，可更好地满足应用需求，同时本发明提供的制备方法，其工艺流程简单，可满足工业化的生产制造需求；本申请提供的SiOC@X负极材料，通过在SiOC材料中引入以纳米单质形式存在的金属原子，有效提高了材料的倍率性能和循环稳定性，该材料价廉易得，结构、微球直径可控，电化学性能好，可更好地满足应用需求。

技术领域

本发明涉及负极材料技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

作为能量储存装置，电池可以实现化学能与电能之间的相互转化，其研究在能源存储领域受到广泛关注。其中的锂离子电池是一种能够可逆地进行锂离子转移的二次电池，它主要由四个核心部分正极材料、负极材料、电解液和隔膜，以及相应的连通附件和回路构成。在充放电过程中，锂离子电池依靠锂离子在正极材料和负极材料之间可逆的脱嵌实现充放电。

锂离子电池以其工作电压高、循环寿命长和环境污染小等优点，在能源存储领域，如便捷式电子设备特别是智能手机、摄像机和便捷式计算机等方面显示出广阔的应用前景，并逐步向新能源汽车或大型储能电池等领域扩展。与此同时，随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，动力电池相关材料也向着提供更高能量密度的方向发展。然而，传统锂离子电池中的石墨负极具有较低的理论比容量(～372mAh g^-1)，这严重制约了锂离子电池在高能量密度装置上的应用。因此，高能量密度负极材料成为行业研究的新热点。

硅负极材料由于具有极高的理论比容量(～4200mAh g^-1)、储量丰富、工作电压低和价格低廉的等优点，被认为是下一代锂离子电池最理想的负极材料。然而，硅作为负极材料在电池充放电过程中具有巨大的体积膨胀效应(300％)，易导致颗粒粉化、活性材料脱落、固体电解质界面膜(SEI)不稳定等一系列问题，严重影响电池的循环和安全性能。除此之外，Li⁺扩散能力低和导电性差都导致硅负极材料较低的库伦效率和较差的倍率性能，限制了硅负极材料的进一步应用。相比之下，陶瓷SiOC负极材料可在首次嵌锂过程形成非活性的Li₂O和Li₄SiO₄等惰性物质作为缓冲层，因此在嵌锂过程中的体积膨胀要明显小于纯硅负极，从而大大提高电池的循环性能；另外，SiOC负极材料中的Si-O-C键在充放电过程中不容易破坏，能较好的保持电极完整稳定。然而，SiOC材料作为陶瓷材料的一种，具有导电性低和结构致密等缺点，使得其离子传输能力和导电性较差，这限制了其倍率性能。因此，需要对SiOC负极材料进行改性，来进一步提升材料的导电性，使得材料的循环稳定性和倍率性能得到提升。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法，其通过溶胶-凝胶法合成单分散的SiOC微球，使SiOC负极材料的体积膨胀率、倍率性能、首效和循环稳定性均得到有效提升，可更好地满足应用需求。

本发明采用的技术方案是：

一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将溶剂搅拌加热，升温后加入金属氧化物或过渡金属盐，并搅拌至金属氧化物或过渡金属盐在溶剂中均匀分散，随后加入铵盐或有机胺，待金属氧化物或过渡金属盐完全溶解，标记为A溶液；

S2：将硅烷滴加至A溶液，室温下搅拌，离心洗涤、干燥，惰性气氛下烧结，得到活性物质SiOC@X负极材料。

进一步地，S1中，

溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇中的任一种或任几种的混合物；