本發(fā)明涉及鋰離子電池儲能，特別是涉及一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、由于硅負(fù)極的高容量，在電池領(lǐng)域內(nèi)被廣泛研究，然而其具有嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng)，在嵌鋰與脫鋰的過程中體相的巨大變化為其帶來了較低的首效與較差的循環(huán)性能，這限制了其進(jìn)一步發(fā)展。通過將硅與碳結(jié)合是解決硅材料體積膨脹問題的主要研究方向之一，但是碳層的包覆卻破壞了電子和離子的傳輸速率的平衡，從而降低電池性能、縮短循環(huán)壽命以及增加電池安全問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述問題，提供一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用；本發(fā)明所述的硅基負(fù)極材料兼具導(dǎo)電子-離子性能，用于鋰離子電池能夠提高電池性能并增加循環(huán)壽命，有利于保障電池的使用安全性。

2、一種硅基負(fù)極材料，包括軟碳基材以及分布于所述軟碳基材中的納米硅、導(dǎo)電碳材料和快離子導(dǎo)體，其中，所述快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率為10-5s·cm-1-10-2s·cm-1，離子電導(dǎo)激活能在0.2ev-0.4ev，所述快離子導(dǎo)體在所述導(dǎo)電碳材料表面形成負(fù)離子相；

3、在200ma·g-1的電流密度下條件下，50圈循環(huán)處理前后，所述硅基負(fù)極材料表面金屬離子濃度變化率小于或等于10％。

4、在其中一個(gè)實(shí)施例中，在50圈循環(huán)處理之后，所述硅基負(fù)極材料表面金屬離子濃度為750ppm-950ppm。

5、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述硅基負(fù)極材料的粒徑為5μm-50μm。

6、在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述硅基負(fù)極材料中，所述軟碳基材的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％-90％，所述納米硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-70％，所述導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％-10％，所述快離子導(dǎo)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％-10％。

7、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述導(dǎo)電碳材料包括碳纖維、碳納米管、石墨烯、碳化硅或者碳?xì)种械闹辽僖环N。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述快離子導(dǎo)體包括銀碘化物、銅碘化物、鋰硼酸鹽、氧化鋯、β-氧化鋁或者銀硫化物中的至少一種。

9、一種如上所述的硅基負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟：

10、將軟碳前驅(qū)體、納米硅、導(dǎo)電碳材料與快離子導(dǎo)體在溶劑中混合，得到物料，其中，所述快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率為10-5s·cm-1-10-2s·cm-1，離子電導(dǎo)激活能在0.2ev-0.4ev；

11、將所述物料在保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行二級煅燒處理，制得硅基負(fù)極材料。

12、在其中一個(gè)實(shí)施例中，以100重量份的納米硅為基準(zhǔn)，所述軟碳前驅(qū)體為160重量份-1600重量份，所述導(dǎo)電碳材料為10重量份-100重量份，所述快離子導(dǎo)體為10重量份-100重量份；

13、及/或，所述軟碳前驅(qū)體包括瀝青、渣油、葡萄糖、蔗糖、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯或者聚酰亞胺中的至少一種；

14、及/或，所述溶劑包括四氫呋喃、二甲苯、正己烷、乙醚或者乙醇中的至少一種。

15、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述二級煅燒處理包括：先于450℃-700℃預(yù)煅燒30min-300min，然后以1℃/min-10℃/min的升溫速率加熱至700℃-1000℃并保溫30min-300min。

16、一種如上所述的硅基負(fù)極材料用于鋰離子電池。

17、本發(fā)明所述的硅基負(fù)極材料具有軟碳基材包覆納米硅的復(fù)合結(jié)構(gòu)，且軟碳基材中還均勻分布有導(dǎo)電碳材料和快離子導(dǎo)體，一方面，利用具有特定離子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)激活能的快離子導(dǎo)體在導(dǎo)電碳材料附近形成特殊的負(fù)離子相，有利于均衡加快硅基負(fù)極材料的離子傳輸速率，提高材料的電化學(xué)性能，并且經(jīng)50圈循環(huán)，硅基負(fù)極材料表面金屬離子濃度變化較小，表明其穩(wěn)定存在于碳層結(jié)構(gòu)中，有利于提高電性能；另一方面，導(dǎo)電碳材料作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)相，可以提升整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，從而有效緩解納米硅在充放電過程中體積膨脹帶來的應(yīng)力，極大的提高電池的循環(huán)壽命。

18、此外，經(jīng)過軟碳基材包覆，使納米硅尺寸增加到微米級，不僅可以有效增大振實(shí)密度，在相同的質(zhì)量負(fù)載量下有更高的體積比容量，而且微米級的比表面積也有利于降低副反應(yīng)，從而進(jìn)一步提升電池的電化學(xué)性能。

技術(shù)特征：

1.一種硅基負(fù)極材料，其特征在于，所述硅基負(fù)極材料包括軟碳基材以及分布于所述軟碳基材中的納米硅、導(dǎo)電碳材料和快離子導(dǎo)體，其中，所述快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率為10-5s·cm-1-10-2s·cm-1，離子電導(dǎo)激活能在0.2ev-0.4ev，所述快離子導(dǎo)體在所述導(dǎo)電碳材料表面形成負(fù)離子相；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基負(fù)極材料，其特征在于，在50圈循環(huán)處理之后，所述硅基負(fù)極材料表面金屬離子濃度為750ppm-950ppm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基負(fù)極材料，其特征在于，所述硅基負(fù)極材料的粒徑為5μm-50μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基負(fù)極材料，其特征在于，在所述硅基負(fù)極材料中，所述軟碳基材的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％-90％，所述納米硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-70％，所述導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％-10％，所述快離子導(dǎo)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％-10％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基負(fù)極材料，其特征在于，所述導(dǎo)電碳材料包括碳纖維、碳納米管、石墨烯、碳化硅或者碳?xì)种械闹辽僖环N。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基負(fù)極材料，其特征在于，所述快離子導(dǎo)體包括銀碘化物、銅碘化物、鋰硼酸鹽、氧化鋯、β-氧化鋁或者銀硫化物中的至少一種。

7.一種如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的硅基負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅基負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，以100重量份的納米硅為基準(zhǔn)，所述軟碳前驅(qū)體為160重量份-1600重量份，所述導(dǎo)電碳材料為10重量份-100重量份，所述快離子導(dǎo)體為10重量份-100重量份；

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅基負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，所述二級煅燒處理包括：先于450℃-700℃預(yù)煅燒30min-300min，然后以1℃/min-10℃/min的升溫速率加熱至700℃-1000℃并保溫30min-300min。

10.一種如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的硅基負(fù)極材料用于鋰離子電池。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種硅基負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。所述硅基負(fù)極材料包括軟碳基材以及分布于所述軟碳基材中的納米硅、導(dǎo)電碳材料和快離子導(dǎo)體，其中，所述快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率為10<supgt;?5</supgt;S·cm<supgt;?1</supgt;?10<supgt;?2</supgt;S·cm<supgt;?1</supgt;，離子電導(dǎo)激活能在0.2eV?0.4eV，所述快離子導(dǎo)體在所述導(dǎo)電碳材料表面形成負(fù)離子相；在200mA·g<supgt;?1</supgt;電流密度下，50圈循環(huán)處理前后，所述硅基負(fù)極材料表面金屬離子濃度變化率小于或等于10％。本發(fā)明所述的硅基負(fù)極材料兼具導(dǎo)電子?離子性能，用于鋰離子電池能夠提高電池性能并增加循環(huán)壽命，有利于保障電池的使用安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：林寧,錢勇,田晉偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：甬江實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9