本申请涉及负极材料及使用其的电化学装置和电子装置。本申请的负极材料包括：硅化合物SiOx，其中x为0.5‑1.5；氧化物MeOy层，所述MeOy层包覆所述硅化合物SiOx的至少一部分，其中Me包括Al、Si、Ti、Mn、V、Cr、Co或Zr中的至少一种，其中y为0.5‑3；以及碳纳米管层，所述碳纳米管层包覆所述MeOy层的至少一部分。所述负极材料能够显著提高电化学装置的循环性能，倍率性能，且显著降低电化学装置的阻抗。
【技术实现步骤摘要】
负极材料及使用其的电化学装置和电子装置
本申请涉及储能领域，具体涉及一种负极材料及使用其的电化学装置和电子装置，特别是锂离子电池。
技术介绍
电化学装置(例如，锂离子电池)已伴随着科技的进步及环保要求的提高进入了我们日常的生活。近年来，由于硅的可逆容量高达4200mAh/g，因此被认为是最有可能被大规模应用的锂离子负极材料。但是硅在充放电过程中具有约400％的体积膨胀，超高的体积膨胀会造成固体电解质界面膜(SEI)的破坏，不断露出新鲜的材料表面，从而不断消耗电解液，这将导致SEI的反复形成。硅氧材料虽然在容量上与纯硅相比有一定的降低，但是硅氧材料在一定程度上可以显著降低体积膨胀。合理的设计硅氧比、颗粒大小和优化电芯制备工艺可使其体积膨胀仅有120-160％。但是这仍然无法满足目前锂离子电池高循环寿命的要求。有鉴于此，为了满足高循环寿命的要求，还需要对负极材料的结构作进一步的细化和改进。
技术实现思路
本申请实施例提供了一种负极材料以及制备该负极材料的方法，以试图在至少某种程度上解决至少一种存在于相关领域中的问题。本申请实施例还提供了使用该负极材料的负极极片、电化学装置以及电子设备。在一个实施例中，本申请提供了一种负极材料，所述负极材料包括：硅化合物SiOx，其中x为0.5-1.5；氧化物MeOy层，所述氧化物MeOy层包覆所述硅化合物SiOx的至少一部分，其中Me包括Al、Si、Ti、Mn、V、Cr、Co或Zr中的至少一种，其中y为0.5-3；以及碳纳米管层，所述碳纳米管层包覆所述氧化物MeOy层的至少一部分。在另一个实施例中，本申请提供了一种制备负极材料的方法，所述方法包括：(1)将SiOx粉末和氧化物前驱体MeXn在有机溶剂和去离子水的存在下形成混合溶液；干燥所述混合溶液得到粉末；以及将所述粉末在约450-900℃下烧结约0.5-24h得到包覆有氧化物MeOy层的硅化合物SiOx颗粒；和(2)将所述包覆有氧化物MeOy层的硅化合物SiOx颗粒、碳纳米管粉末、分散剂和溶剂混合形成混合溶液；以及干燥所述混合溶液得到粉末。其中x为0.5-1.5，y为0.5-3，其中Me包括Al、Si、Ti、Mn、Cr、V、Co、Zr中的至少一种，其中X包括甲氧基、乙氧基、异丙氧基、卤素中的至少一种，且其中n为1、2、3或4。在另一个实施例中，本申请提供了一种负极极片，其包括根据本申请所述的负极材料。在另一个实施例中，本申请提供一种电化学装置，其包括根据本申请所述的负极极片。在另一个实施例中，本申请提供一种电子装置，其包括根据本申请的实施例的电化学装置。由于充放电过程中材料会发生膨胀与收缩，紧密的包覆结构可以有效缓解这个过程中结构的破坏。另一方面材料的破坏会产生新鲜界面，多次循环会产生大量的SEI副产物，当界面结合不紧密、不牢固时，这层副产物会推动和加速碳层的剥离，从而加速材料衰减与失效。提升硅氧材料循环性能的主要手段包括以下几种：碳包覆硅氧材料、碳包覆硅氧材料中间设置中间空隙层、降低硅氧材料的尺寸、聚合物包覆硅氧材料、无定形氧化物包覆硅氧材料等。在这些包覆手段中，碳包覆硅氧材料由于电子导电性能比较好、稳定性高而成为目前的主要应用方向。但是碳包覆硅氧材料很可能在电池极片加工过程中由于反复剪切力造成脱碳现象，影响库伦效率，并且SEI成膜消耗电解液。另一方面，多次的循环过程中硅的膨胀收缩和破裂，导致碳层很容易从基体上剥落，随着SEI的生成，碳层被副产物包裹，从而极大地增加电化学阻抗和极化，影响循环寿命。因此提高碳层与硅氧材料的界面结合性能对于改善循环寿命、提高循环结构稳定性具有重要意义。聚合物包覆硅氧材料和无定形氧化物包覆硅氧材料虽然能够有效避免电解液与硅氧材料直接接触，但由于聚合物和无定形氧化物的导电性较差，会增加电化学阻抗和极化，不但使得硅氧材料无法有效脱嵌锂，而且包覆层容易在脱嵌锂时被破坏，影响循环寿命。因此在避免电解液与硅氧材料直接接触的同时，提高硅氧材料的导电性，抑制硅氧材料体积膨胀对于改善负极材料的循环寿命和提高循环结构稳定性具有重要意义。本申请提供的负极材料，氧化物MeOy层包覆在硅化合物SiOx材料表面，与电解液中的HF形成MeFz包覆层，可以抑制电解液中HF对硅化合物SiOx材料表面的刻蚀。氧化物MeOy在嵌锂后可形成LimMeOy离子导体，Li+扩散速率提升，可有效提升倍率性能。并且Li-Al-O具有一定的机械强度，在一定程度上可有效抑制SiOx基体的体积膨胀。此外氧化物MeOy层与硅氧材料基体可以通过化学键“Me-O-Si”形成很好的连接，有效提升了其与基体的界面结合力。另一方面，本申请提供的负极材料中，碳纳米管(CNT)层包覆在已包覆有金属氧化物层的硅化合物SiOx材料表面，可在硅化合物SiOx材料表面交织成三维网络多孔结构。孔隙可促进Li离子的扩散迁移。并且CNT具有高的导电性，多孔导电网络使硅化合物SiOx材料表现出优异的倍率性能。同时CNT形成的多孔结构可有效缓解硅氧材料在充放电过程中的体积膨胀，保持硅氧材料的结构稳定性。紧密的包覆结构可以有效缓解充放电过程中硅化合物SiOx体积膨胀收缩引起的结构破坏，避免产生新鲜界面。包覆层与HF反应，可有效延缓循环过程中产生的HF对硅化合物SiOx材料的刻蚀，避免生成过多副产物及材料结构的破坏。高导电性的多孔包覆层，有利于电子和离子的传输。交叉三维网络多孔包覆层有利于抑制硅氧材料的体积膨胀，保持结构稳定性。因此这种结构设计可以显著提升负极材料在循环过程中的结构稳定性，从而使得循环寿命得到显著提升。本申请实施例的额外层面及优点将部分地在后续说明中描述、显示、或是经由本申请实施例的实施而阐释。附图说明在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。图1示出了本申请的一个实施例的负极材料的结构示意图。图2示出了本申请的另一实施例的负极材料的结构示意图。图3示出了本申请的另一实施例的负极材料的结构示意图。图4A为未经包覆的氧化亚硅材料表面的扫描式电子显微镜(SEM)图片。图4B为氧化亚硅材料表面包覆氧化物Al2O3层后的SEM图片。图4C为本申请实施例2中负极材料表面的SEM图片。具体实施方式本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。如本申请中所使用，术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种负极材料，所述负极材料包括：硅化合物SiOx，其中x为0.5‑1.5；氧化物MeOy层，所述氧化物MeOy层包覆所述硅化合物SiOx的至少一部分，其中Me包括Al、Si、Ti、Mn、V、Cr、Co或Zr中的至少一种，其中y为0.5‑3；以及碳纳米管层，所述碳纳米管层包覆所述氧化物MeOy层的至少一部分。
【技术特征摘要】
1.一种负极材料，所述负极材料包括：硅化合物SiOx，其中x为0.5-1.5；氧化物MeOy层，所述氧化物MeOy层包覆所述硅化合物SiOx的至少一部分，其中Me包括Al、Si、Ti、Mn、V、Cr、Co或Zr中的至少一种，其中y为0.5-3；以及碳纳米管层，所述碳纳米管层包覆所述氧化物MeOy层的至少一部分。2.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述硅化合物SiOx包含晶态硅化合物SiOx、非晶态硅化合物SiOx或其组合。3.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述硅化合物SiOx包含SiO、SiO2或其组合。4.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述负极材料包含纳米Si晶粒。5.根据权利要求4所述的负极材料，其中所述纳米Si晶粒的尺寸为0.5nm-100nm。6.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述氧化物MeOy层包含晶态氧化物MeOy、非晶态氧化物MeOy或其组合。7.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述硅化合物SiOx的平均粒径为500nm-30μm。8.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述氧化物MeOy层的厚度为1nm-1000nm。9.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述氧化物MeOy层的厚度为1nm-50nm。10.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述碳纳米管包含单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其组合。11.根据权利要求1所述的负极材料，其中所述碳纳米管的直径为2-30nm，且所述碳纳米管具有50-3000的长径比。12.根据权利要求1所述的负极材料，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈志焕，姜道义，崔航，谢远森，
申请(专利权)人：宁德新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35
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