[发明专利]复合材料及其制备方法和应用、锂离子电池负极极片、锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。该复合材料包括基体，以及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学组成为MgSiO₃，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。本发明提供的复合材料兼具低厚度膨胀系数和高比容量的特点，同时，将该复合材料用于锂离子电池中，能够有效提高锂离子电池的首次库伦效率和结构稳定性，并降低了电池的电化学膨胀。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。

背景技术

随着消费电子、电动交通工具和电化学储能行业的快速发展，锂离子电池技术也不断更新迭代，高比能锂离子电池也渐渐成为潮流，为了进一步提高锂离子电池的能量密度，需要以电池材料体系为基础重新设计。

负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，影响着锂离子电池的比容量及循环寿命，目前通用的石墨类负极材料因材料本身的极限容量限制(理论比容量为372mAh/g)，不能满足高比能量密度的需求。在此背景下，硅负极因其具有超高的比容量(理论比容量为4200mAh/g)，受到了广泛关注，国内外均对其投入的大量研究，是目前最有可能被推广应用于电动汽车进而推动电动汽车行业发展的负极材料。

CN111164803A公开一种用于二次电池的硅基负极材料，包括：内核、第一壳层和第二壳层，其中，内核由Si粒子和硅氧化物SiO_x1构成，0＜x1＜2；第一壳层包括通式MySiO_z的化合物(例如，MgSiO₃)以及单质C材料，M选自Li、Na、Mg、Al、Fe和Ca中的至少一种；第二壳层包括碳膜层。

CN112310355A公开了一种负极活性材料，包括核结构及包覆于核结构至少一部分外表面的聚合物改性包覆层，其中，核结构包括硅基材料和/或锡基材料。

CN110556529A公开了一种具有多层核壳结构的负极复合材料，负极复合材料有多层核壳结构，其中，负极复合材料的内核为氧化亚硅颗粒，中间层为金属掺杂氧化硅复合材料，最外层为连续的碳颗粒或者碳薄膜构成的碳包覆层，金属掺杂氧化硅复合材料为金属掺杂元素的氧化物和/或复合氧化物与氧化亚硅构成的复合材料。

上述方法采用纳米硅碳和氧化亚硅材料作为硅基材料，由于比容量和首次效率较低，均未真正发挥硅的高比容量特性；此外，纳米硅碳因较高的成本以及实际应用中面临的碳包覆、浆料分散等问题仍未规模化使用；氧化亚硅材料由于良好的循环性能被开发和量产，但由于首次库伦效率低，还需进一步通过预锂或者预镁方式来提高材料的首次库伦效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的硅基材料在电池脱嵌锂的过程中存在低比容量和高体积膨胀；以及含有该硅基材料的锂离子电池存在首次库伦效率低、结构稳定差和电化学膨胀高等问题，提供了一种复合材料及其制备方法和应用、一种锂离子电池负极极片、一种锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种复合材料，该复合材料包括基体，以及在所述基体的表面依次包裹的金属掺杂层和碳包覆层；其中，所述基体为硅锡合金，所述金属掺杂层的化学组成为MgSiO₃，所述碳包覆层由连续碳颗粒构成。

本发明第二方面提供一种复合材料的制备方法，该方法包括：将单质硅和单质锡进行真空烧结，得到硅锡合金；将所述硅锡合金作为基体依次进行表层氧化反应和浅层镁化反应，以在所述基体的表面形成化学组成为MgSiO₃的金属掺杂层，得到中间产物；将所述中间产物进行碳包覆，以在所述金属掺杂层的表面形成由连续碳颗粒构成的碳包覆层，得到复合材料。

本发明第三方面提供一种第一方面提供的复合材料，或者，第二方面提供的方法制得的复合材料在锂离子电池、电动汽车、电工工具或电化学储能中的应用。