硅基负极材料及其制备方法、负极、电池和电子设备技术

本申请提供了一种硅基负极材料，包括硅基内核、包覆所述硅基内核的碳层和包覆所述碳层的苯基化合物层，所述苯基化合物层中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：

【技术实现步骤摘要】
硅基负极材料及其制备方法、负极、电池和电子设备
本申请属于电池
，具体涉及硅基负极材料及其制备方法、负极、电池和电子设备。
技术介绍
现有硅基负极材料由于具备非常高的理论比容量而受到广泛关注。但是，硅基负极材料在反复充放电过程中经历很大的体积变化，甚至会造成硅基负极材料粉碎，影响硅基负极材料的性能，从而严重制约了硅基负极材料的应用。
技术实现思路
鉴于此，本申请提供了一种具有优异性能的硅基负极材料。第一方面，本申请提供了一种硅基负极材料，包括硅基内核、包覆所述硅基内核的碳层和包覆所述碳层的苯基化合物层，所述苯基化合物层中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：其中，R1具有碳碳双键或碳碳三键，R2、R3、R4、R5和R6中的至少一个取代基具有有机酸基团；或者，R1为具有碳碳双键或碳碳三键的有机酸基团。第二方面，本申请提供了一种硅基负极材料的制备方法，包括：在硅基内核表面成型碳层；在所述碳层的表面成型苯基化合物层，得到硅基负极材料，其中，所述硅基负极材料包括硅基内核、包覆所述硅基内核的碳层和包覆所述碳层的苯基化合物层，所述苯基化合物层中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：其中，R1具有碳碳双键或碳碳三键，R2、R3、R4、R5和R6中的至少一个取代基具有有机酸基团；或者，R1为具有碳碳双键或碳碳三键的有机酸基团。第三方面，本申请提供了一种负极，包括负极集流体，以及设置在所述负极集流体上的负极材料层，所述负极材料层包括第一方面所述的硅基负极材料或如第二方面所述的制备方法制得的硅基负极材料。第四方面，本申请提供了一种电池，包括正极、第三方面所述的负极以及电解液。第五方面，本申请提供了一种电子设备，包括第四方面所述的电池。本申请提供了一种硅基负极材料，其中碳层可以提高硅基负极材料的导电性能，苯基化合物层能够参与固体电解质界面膜的形成，形成的固体电解质界面膜的柔韧性好，膜层稳定性高，同时还减小了电池中电解液以及金属阳离子的消耗，进而提升了硅基负极材料的循环性能和稳定性。该硅基负极材料的制备方法简单，操作方便，能够进行工业化生产。具有该硅基负极材料的负极的性能优异，有利于在电池中使用。具有该负极的电池的循环性能好，容量保持率高，长期使用性能稳定。具有该电池的电子设备的使用性能优异，满足使用需求。附图说明为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对本申请实施方式中所需要使用的附图进行说明。图1为本申请一实施方式提供的硅基负极材料的结构示意图。图2为本申请一实施方式提供的硅基负极材料的制备方法的流程示意图。图3为本申请一实施方式提供的电子设备的结构示意图。图4为实施例1的硅基负极材料的电镜图。图5为实施例1的硅基负极材料制成的半电池的循环性能图。标号说明：硅基内核-11，碳层-12，苯基化合物层-13，硅基负极材料-10，电子设备-100。具体实施方式以下是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。请参考图1，为本申请一实施方式提供的硅基负极材料的结构示意图，硅基负极材料10包括硅基内核11、包覆硅基内核11的碳层12和包覆碳层12的苯基化合物层13，苯基化合物层13中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：其中，R1具有碳碳双键或碳碳三键，R2、R3、R4、R5和R6中的至少一个取代基具有有机酸基团；或者，R1为具有碳碳双键或碳碳三键的有机酸基团。在本申请中，硅基负极材料10可以应用于电池中，下面以锂离子电池为例进行说明，可以理解的，硅基负极材料10还可以用于其他类型的电池中，对此不作限定，同样在本申请的保护范围内。锂离子电池在首次充放电的过程中，硅负极材料与电解液、锂离子等在固液界面上发生反应，形成一层覆盖在硅负极材料上的钝化层，即为固体电解质界面膜(SEI膜)。SEI膜是电子的绝缘体，但是是锂离子的优良导体，锂离子可以经过SEI膜进行嵌入和脱出。SEI膜的形成消耗了电解液以及锂离子，不可避免的降低了电池的充放电效果。同时，硅负极材料在充放电过程中，会导致硅负极材料体积膨胀，甚至会达到原始体积的3倍及以上，从而导致SEI膜的破裂，进而不断的消耗电解质和锂离子以形成新的SEI膜，严重影响循环性能。而且，由于硅是半导体材料，使得硅负极材料的导电性不佳，从而影响其使用。在本申请中，苯基化合物层13中的苯基化合物能够先于电解液分解，与锂离子形成有机酸锂，减少电解液和锂离子的消耗，有利于提升循环性能；同时有机酸锂的导离子性能优异，设置苯基化合物层13不会影响硅基负极材料10的倍率性能，还可以有效降低阻抗。与此同时，硅基内核11在充放电过程中体积不断膨胀，而苯基化合物层13中的苯基化合物由于具有双键或三键，在硅基内核11嵌锂体积膨胀过程中，苯基化合物能够发生聚合反应形成高分子，并且形成的高分子不断包覆膨胀的硅基内核11，进而在膨胀后的硅基内核11表面形成具有优异弹性和韧性的高分子层；该高分子层致密性好，可以作为SEI膜的组成部分，从而进一步减少了电解液、锂离子参与形成SEI膜；高分子层的柔韧性佳，有利于保证SEI膜长期稳定存在；同时该高分子层适应于硅基内核11的体积变化，可以约束和缓冲硅基内核11的体积膨胀，保证硅基负极材料10整体结构的稳定性。而且，本申请中采用碳层12包覆硅基内核11，从而有效提高了硅基负极材料10的导电子性，有利于其应用。在本申请中，硅基内核11是含有硅材料的内核；硅材料是一种具有超高比容量的负极材料，是碳负极材料容量的十余倍，同时硅的储量充足，有利于广泛使用。在本申请实施方式中，硅基内核11包括单质硅材料、硅合金材料、硅氧材料和硅碳材料中的至少一种。在本申请一实施例中，硅基内核11包括纳米级的单质硅。通过选用纳米级的单质硅材料，可以缩短锂离子的扩散距离，提高锂离子嵌脱的电化学活性，减小硅基内核11的体积变化，并且纳米级的单质硅材料形成的硅基内核11之间会具有空隙，从而有效缓解体积膨胀对硅基负极材料10的影响。进一步的，纳米级的单质硅包括硅纳米球、硅纳米管和硅纳米线中的至少一种。在一具体的实施例中，硅基内核11的材质包括硅纳米球，硅纳米球的粒径小于20nm。具体的，硅纳米球的粒径可以但不限于为2nm、3nm、5nm、7nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基负极材料，其特征在于，包括硅基内核、包覆所述硅基内核的碳层和包覆所述碳层的苯基化合物层，所述苯基化合物层中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：/n

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料，其特征在于，包括硅基内核、包覆所述硅基内核的碳层和包覆所述碳层的苯基化合物层，所述苯基化合物层中的苯基化合物的结构式如式(I)所示：



其中，R1具有碳碳双键或碳碳三键，R2、R3、R4、R5和R6中的至少一个取代基具有有机酸基团；或者，R1为具有碳碳双键或碳碳三键的有机酸基团。


2.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述苯基化合物层的厚度为5nm-200nm。


3.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料中所述苯基化合物层的重量占比为1wt％-10wt％。


4.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述苯基化合物层和所述硅基内核的重量比为(0.01-0.11):1。


5.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述有机酸基团包括羧酸基、磷酸基、硼酸基和磺酸基中的至少一种。


6.如权利要求5所述的硅基负极材料，其特征在于，所述苯基化合物包括4-乙烯基苯乙酸、4-丙烯基苯甲酸、4-丙烯基苯磺酸、4-乙烯基苯硼酸和4-乙烯基苯磷酸中的至少一种。


7.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基内核的中值粒径为1μm-10μm，所述硅基负极材料中所述硅基内核的重量占比为80wt％-98wt％。


8.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述硅基内核包括单质硅材料、硅合金材料、硅氧材料和硅碳材料中的至少一种。


9.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述碳层的厚度为5nm-300nm，所述硅基负极材料中所述碳层的重量占比为1wt％-10wt％...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈溢镭，
申请(专利权)人：OPPO广东移动通信有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44