[发明专利]一种用于锂离子二次电池的高首效负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂离子二次电池的高首效负极材料及其制备方法，高首效负极材料包括:多孔碳基体、金属锂颗粒、纳米硅颗粒和碳壳；其中，多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球；贯穿孔的平均孔径为1nm‑50nm；金属锂颗粒由气态锂沉积在贯穿孔中；纳米硅颗粒由含硅的气体沉积在贯穿孔中；金属锂颗粒的质量占高首效负极材料的总质量的百分比为10％‑50％；纳米硅颗粒的粒径在0.1nm‑45nm之间，纳米硅颗粒的质量占高首效负极材料的总质量的百分比为20％‑70％；高首效负极材料用于锂离子二次电池的首周库伦效率为99％‑105％。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种用于锂离子二次电池的高首效负极材料及其制备方法。

背景技术

硅具有4200mAh/g的理论比容量，相对石墨负极可以储存更多的锂离子，电池能量密度相对较高，从而有效提升续航时间及里程。因其具备高理论容量、低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点，被视为最具前景的下一代锂电负极材料。

锂离子与硅的合金化反应存在较大的体积膨胀，期间会产生大量切应力和压应力，使材料颗粒破裂，阻断了电子在材料颗粒上的直接传输。随着充放电次数的增加，体积膨胀带来的影响加重，使材料颗粒严重破裂甚至发生粉化，进而导致部分材料完全失去电化学活性，从而导致电池的容量降低，循环性能较差。同时在锂离子电池首次充电过程，在负极表面会形成固态电解质界面(SEI)膜，消耗了一部分锂离子，形成不可逆容量，造成库伦效率偏低。

硅的纳米化可以在一定程度上解决体积膨胀的问题，然而将其均匀分散在碳材料中还存在一定难度。因锂离子的消耗导致的库伦效率偏低可以通过补锂的方式改善，现有补锂的方法一般通过锂箔式补锂、锂粉补锂、电化学补锂以及正极补锂，方法较繁琐且效果不明显。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于锂离子二次电池的高首效负极材料及其制备方法，通过将气体锂和含硅的气体间隔的沉积在多孔碳微球的贯穿孔中形成金属锂颗粒和纳米硅颗粒，一方面得到的纳米尺度的硅颗粒，晶粒尺寸小于45nm，有效减小体积膨胀效应，同时纳米硅与金属锂间隔交替沉积，可以在多孔碳微球中形成均匀分布，避免了纳米硅的团聚；另一方面金属锂与硅间隔的共沉积到多孔碳微球中，可以在避免锂因分布不均而形成锂枝晶的同时，充分发挥补锂效果，提高了负极材料的首次库伦效率。

本发明实施例提供的上述负极材料补锂的方法，简单易操作，可应用于批量化生产，使金属锂颗粒在纳米硅颗粒中均匀分布，避免形成锂枝晶。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于锂离子二次电池的高首效负极材料，所述高首效负极材料包括:多孔碳基体、金属锂颗粒、纳米硅颗粒和碳壳；

其中，所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球；所述贯穿孔的平均孔径为1nm-50nm；

所述金属锂颗粒由气态锂沉积在所述贯穿孔中；所述纳米硅颗粒由含硅的气体沉积在所述贯穿孔中；

所述金属锂颗粒的质量占所述高首效负极材料的总质量的百分比为10％-50％；

所述纳米硅颗粒的粒径在0.1nm-45nm之间，所述纳米硅颗粒的质量占所述高首效负极材料的总质量的百分比为20％-70％；

所述高首效负极材料用于锂离子二次电池的首周库伦效率为99％-105％。

优选的，所述碳壳的质量占所述高首效负极材料的总质量的百分比为1％-20％；

所述高首效负极材料的粒径在1μm-100μm之间。

第二方面，本发明实施例提供了一种上述第一方面所述的用于锂离子二次电池的高首效负极材料的制备方法，所述制备方法为气相沉积法，具体包括: