硅-金属氧化物复合材料、其制法、二次电池及用电装置制造方法及图纸

本申请提供了硅

【技术实现步骤摘要】
硅
‑
金属氧化物复合材料、其制法、二次电池及用电装置


[0001]本申请涉及锂电池
，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法、二次电池、电池模块、电池包和用电装置。

技术介绍

[0002]近年来，随着锂离子电池的应用范围越来越广泛，锂离子电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。由于锂离子电池取得了极大的发展，因此对其能量密度、循环性能和安全性能等也提出了更高的要求。石墨作为锂离子电池传统的负极材料，理论比容量仅为372 mAh/g，难以满足市场的需求，严重限制了高能量密度锂离子电池的发展。近年来，硅由于具有适中的嵌锂电位（0.4 V vs. Li/Li
+
）和较高的理论比容量（3579 mAh/g），在新型负极材料候选者中脱颖而出。
[0003]但是，硅基材料作为负极活性材料在电池充放电循环的过程中，体积膨胀高达300%，而且在活性物质表面难以形成稳定的SEI膜，这是硅基材料在产业化进程中的两大技术阻碍。对此，已进行了广泛的研究和尝试，通常将硅与碳材料、金属、氧化物等物质复合来克服上述缺陷。然而，硅基负极活性材料性能仍有待进一步提高。

技术实现思路

[0004]本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种作为锂离子电池负极活性材料的具有核
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壳结构的硅
‑
金属氧化物复合材料的制备方法。该方法步骤简单，易于对硅
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金属氧化物复合材料的形貌进行控制，能够在硅粒子表面形成均匀且完全的包覆层，从而制备出具有理想核
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壳结构形貌的硅
‑
金属氧化物复合材料，进而克服硅粒子电学性能方面的缺陷，提升负极材料的循环特性。本申请还同时提供该硅
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金属氧化物复合材料，以该材料作为负极活性材料的负极极片、包括该负极极片的二次电池和用电装置。
[0005]为了达到上述目的，本申请提供了一种制备硅
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金属氧化物复合材料的方法、由该方法制备的硅
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金属氧化物复合材料，包括以该硅
‑
金属氧化物复合材料作为负极活性材料的负极极片，包括该负极极片的二次电池以及用电装置。
[0006]本申请的第一方面提供了一种制备硅
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金属氧化物复合材料的方法，其中，所述硅
‑
金属氧化物复合材料具有核
‑
壳结构，所述方法包括以下步骤：将硅粒子和金属氧化物粒子混合均匀并压制为块体；并将所述块体作为阳极靶材在氢气和惰性气体的气氛下通过直流电弧放电等离子体处理获得所述硅
‑
金属氧化物复合材料，其中，金属氧化物的熔点低于硅的熔点。
[0007]本申请通过直流电弧放电等离子体处理可以方便地制备以硅纳米粒子为核心外层均匀包覆金属氧化物层，且具有核
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壳结构的硅
‑
金属氧化物复合材料。直流电弧放电等离子体处理中在阴阳两极之间的弧焰可产生高达上千摄氏度的高温，且自焰心向外温度逐步降低。在这样的高温下，硅粒子和金属氧化物粒子蒸发为气态硅原子和金属氧化物分子，
并当温度低至熔点时开始自发形核。硅的熔点高于金属氧化物，因此气态硅首先形核，并增长为纳米粒子，在温度低到金属氧化物的熔点时，气态金属氧化物开始在硅纳米粒子的表面异质形核，最终在硅纳米粒子表面形成均匀且完全的包覆层。金属氧化物可以贡献容量，循环中形成锡锂合金界面稳定性好，有利于形成稳定的SEI膜，降低SEI膜的厚度。此外，首次循环过程中锂与金属氧化物反应形成的氧化锂可以作为缓冲基体，缓冲硅的体积变化。由上述方法能够在硅表面形成均匀且完全的金属氧化物层，从而能够更好地克服硅基材料自身的性能缺陷，提升电池的比容量、循环性能、倍率性能。该方法步骤简单，过程稳定，产品形貌易控，因而能够获得粒径均一的产品。
[0008]在任意实施方式中，所述硅粒子和所述金属氧化物粒子的质量比为5:5
‑
8:2，优选地为6:4
‑
7:3。所述方法中，通过控制硅粒子和金属氧化物粒子的原料配比，能够容易地控制金属氧化物层的厚度，从而方便地获得所需包覆厚度的复合材料。
[0009]在任意实施方式中，所述氢气的分压为1
×
104Pa
‑
1.5
×
104Pa，且所述惰性气体的分压为2
×
104Pa
‑
2.5
×
104Pa。在所述直流电弧放电等离子体处理中，氢气被电离为氢等离子体，其中的氢原子或氢离子容易进入熔融的靶材中，促进靶材蒸发。惰性气体被电离后形成的等离子体导电性很高，在物质形核长大的过程中与物质碰撞，降低表面能，促进形核。当氢气和惰性气体的气压在上述范围内时，可促进靶材蒸发，并形成粒径合适的颗粒。
[0010]根据较优的实施方式，所述氢气和所述惰性气体的压力比10:7.5
‑
10:4。在该比例范围内，可获得粒径在50
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90nm范围内，特别是65
‑
75nm范围的颗粒。
[0011]在任意实施方式中，所述惰性气体为选自氩气、氦气中的至少一种。
[0012]在任意实施方式中，所述直流电弧放电等离子体处理中，阳极与阴极的间距为10
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25mm，电流为10
‑
200A，且电压为5
‑
30V。优选地，所述阳极与阴极的间距为10
‑
20mm，电流为50
‑
150A，且电压为15
‑
25V。
[0013]在任意实施方式中，所述方法进一步包括：在进行所述直流电弧放电等离子体处理之后，进行钝化处理，从而获得所述硅
‑
金属氧化物复合材料。
[0014]根据一种实施方式，所述钝化处理在空气中进行6
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10小时。
[0015]在任意实施方式中，所述直流电弧放电等离子体处理中，阴极为钨棒或碳棒。
[0016]在任意实施方式中，所述金属氧化物为二氧化锡或氧化钼。
[0017]本申请的第二方面还提供一种硅
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金属氧化物复合材料，其中所述硅
‑
金属氧化物复合材料为具有核
‑
壳结构的颗粒，所述核
‑
壳结构为金属氧化物层均匀且完全地包覆在硅纳米粒子表面，且至少50%的颗粒具有50
‑
90nm的粒径，其中，金属氧化物的熔点低于硅的熔点。
[0018]具有上述结构的所述硅
‑
金属氧化物复合材料中的金属氧化物层因包覆均匀、完全，在二次电池充放电循环中能够稳定存在，从而有效抑制硅纳米粒子的膨胀。在首次充放电循环中，锂与金属氧化物反应生成的氧化锂性质稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备硅
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金属氧化物复合材料的方法，其中，所述硅
‑
金属氧化物复合材料具有核
‑
壳结构，所述方法包括：将硅粒子和金属氧化物粒子混合均匀并压制为块体；和将所述块体作为阳极靶材在氢气和惰性气体的气氛下通过直流电弧放电等离子体处理获得所述硅
‑
金属氧化物复合材料，其中，金属氧化物的熔点低于硅的熔点。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅粒子和所述金属氧化物粒子的质量比为5:5
‑
8:2。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述硅粒子和所述金属氧化物粒子的质量比为6:4
‑
7:3。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢气的分压为1
×
104Pa
‑
1.5
×
104Pa，且所述惰性气体的分压为2
×
104Pa
‑
2.5
×
104Pa。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述氢气和所述惰性气体的压力比10:7.5
‑
10:4。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体为选自氩气、氦气中的至少一种。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述直流电弧放电等离子体处理中，阳极与阴极的间距为10
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25mm，电流为10
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200A，且电压为5
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30V。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述阳极与所述阴极的间距为10
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20mm，电流为50
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150A，且电压为15
‑
25V。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：在进行所述直流电弧放电等离子体处理之后，进行钝化处理，从而获得所述硅
‑
金属氧化物复合材料。10.根据权利要求9所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁静爽，滕国鹏，
申请(专利权)人：江苏时代新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：