[发明专利]多孔硅基复合材料及其制备方法和应用、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，具体涉及一种多孔硅基复合材料及其制备方法和应用、一种负极极片、一种锂离子电池。该复合材料具有核壳结构，包括硅基材料作为内核，以及依次包覆在所述内核的外表面的多孔层和碳包覆层，所述多孔层为硅，或，硅与M’的混合态，且所述多孔层的孔内填充碳材料；所述硅基材料的通式为Si_xM_yM’_z，x≥40，y≤60，z≥0，且x+y+z＝100；M和M’各自独立地选自金属元素，且M≠M’；M满足：电导率＞1×10^‑12S/m，导热系数＞130W/(m·K)，杨氏模量＜170GPa。该复合材料具有高振实密度、低比表面积和低平均孔径；含有该复合材料的锂离子电池具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种多孔硅基复合材料及其制备方法和应用、一种含有多孔硅基复合材料的负极极片、一种含有负极极片的锂离子电池。

背景技术

硅因其具有高理论比容量(3579mAh/g)和低工作电压的特点，是下一代高比能锂离子电池最有潜力的阳极材料之一。硅负极存在一些问题，主要包括：1)在脱嵌锂的过程中会发生巨大的体积变化，造成破裂粉化现象，导致活性颗粒之间以及活性颗粒与集流体之间失去电接触；2)硅的本征电导率低，倍率性能较差，难以满足大功率产品需求；3)硅与传统电解液LiPF₆分解产生HF进行反应，不易形成稳定SEI膜，导致不断耗锂，使其库伦效率较低。纳米硅是解决上述问题的常用手段，但纳米硅因其具有大比表面积和低振实密度的特点，导致后续材料加工难度大和工艺成本高，也难以满足电池对高体积能量密度的需求，同时纳米化工艺成本高。

然而，低成本的微米硅比昂贵的纳米硅具有更少的界面反应，同时更高的体积能量密度解决3C消费电子类设备及电车的“空间焦虑”。阻碍微米硅实际应用的主要因素是其在循环过程中因产生更巨大的结构应力导致颗粒更容易粉化(相比纳米硅)，以及电子/离子传输路径更长，阻抗大，发热严重。

CN113964303A公开了一种硅复合负极材料，所述硅复合负极材料为核壳结构，包括硅基材料内核和依次包覆在所述内核外表面的中间层和外壳层；所述中间层包含负载有金属元素的碳纳米材料，所述外壳层包含无定形碳材料，所述硅基材料选自硅单质、氧化硅和碳化硅中的至少一种。但该硅复合负极材料由于低振实密度和高比表面积，在循环过程中产生巨大的结构效应力导致颗粒更易粉化。

CN107507972A公开了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：以硅合金粉末为原料，经酸洗处理，除去硅合金粉末中除硅以外的其余金属后，得到多孔硅；将所述多孔硅放入碳前驱体中，进行碳包覆处理，形成带有碳包覆层的硅碳复合材料；将所述硅碳复合材料进行碳化处理，得到硅碳负极材料。但该硅碳负极材料由于颗粒稳定性差，无法提高电池循环寿命，进而影响电池的电化学性能和耐压性能。

因此，亟需一种新的多孔硅基复合材料。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有硅作为负极材料存在电子/离子传输路径长(微米硅)、阻抗大(微米硅)、发热严重(微米硅)、低振实密度(纳米硅基负极)和高比表面积(纳米硅基负极)，在循环过程中因产生巨大的结构效应力导致颗粒更易粉化等，以及含有该硅负极的锂离子电池存在倍率性能差、循环性能差等问题，提供一种多孔硅基复合材料及其制备方法和应用、一种含有多孔硅基复合材料的负极极片、一种含有负极极片的锂离子电池，该复合材料具有高振实密度、低比表面积和低平均孔径；同时，将该复合材料用于锂离子电池，能够有效提高锂离子电池的库伦效率、循环性能、倍率性能和电导率。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种多孔硅基复合材料，所述复合材料具有核壳结构，包括硅基材料作为内核，以及依次包覆在所述内核的外表面的多孔层和碳包覆层，其中，所述多孔层为硅，或，硅与M’的混合态，且所述多孔层的孔内填充碳材料；