一种复合负极材料及其制备方法、负极极片和电池技术

本申请提供了一种复合负极材料包括内核、包覆于内核表面的第一包覆层和包覆于第一包覆层表面的第二包覆层，其中，内核包括硅纳米颗粒和一氧化钛颗粒，第一包覆层包括氧化亚硅，第二包覆层包括具有多孔结构的碳纤维。该复合负极材料体积膨胀效应小和导电性能好，可使电池具有较好的循环性能、倍率性能及高的放电容量。本申请还提供了该复合负极材料的制备方法、负极极片和电池。负极极片和电池。负极极片和电池。

【技术实现步骤摘要】
一种复合负极材料及其制备方法、负极极片和电池


[0001]本申请涉及锂离子电池
，特别是涉及一种复合负极材料及其制备方法、负极极片和电池。

技术介绍

[0002]锂二次电池已经在手机、笔记本电脑等便携式电子产品及新能源汽车等领域得到广泛应用，基于传统石墨负极的锂离子电池的能量密度已接近天花板，已不能满足人们日益增长的待机和续航需求，而理论比容量较高的硅负极材料被认为是突破锂二次电池高能量密度的有效途径。然而，硅负极材料在脱嵌锂过程中具有很大的体积效应(体积膨胀率大于300％)，循环多次后会发生粉化、脱落，进而使电池的循环性能急剧下降。另外，硅是半导体材料，电导率低，也会导致电池的倍率性能较差。因此，有必要提供一种能同时有效解决硅的体积膨胀问题、导电问题的技术方案。

技术实现思路

[0003]鉴于此，本申请旨在提供一种新型结构的锂离子电池用复合负极材料，其具有极低的体积膨胀效应和良好的导电性能，可使电池具有较好的循环性能和倍率性能。
[0004]具体地，本申请第一方面提供了一种复合负极材料，所述复合负极材料包括内核、包覆于所述内核表面的第一包覆层和包覆于所述第一包覆层表面的第二包覆层，其中，所述内核包括硅纳米颗粒和一氧化钛颗粒；所述第一包覆层包括氧化亚硅；所述第二包覆层包括具有多孔结构的碳纤维。
[0005]本申请第一方面提供的复合负极材料中，内核同时含有硅纳米颗粒和一氧化钛颗粒，一氧化钛的电导率与石墨接近，其导电性好，可提高相邻硅纳米颗粒之间的电接触性；含硅的内核表面具有两层包覆层，在它们的协同作用下可有效缓解内核硅的体积膨胀，此外，最外侧的包覆层中多孔碳纤维的导电性能良好，可进一步改善硅纳米颗粒的导电性，提高整体复合负极材料的倍率性能，且多孔结构可为锂离子嵌入/脱出提供孔道、增大材料与电解液的接触面积，利于理论容量高的内核硅材料的容量得到切实发挥。
[0006]第二方面，本申请提供了一种复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将硅纳米颗粒分散在含醇溶剂中，再加入钛酸酯并分散均匀，之后再加入硅酸酯和可纺丝碳源并分散均匀，得到混合溶液；将所述混合溶液进行静电纺丝，得到复合纤维膜；
[0008](2)对所述复合纤维膜先在空气气氛下，于200
‑
500℃下进行预烧，再将预烧后的复合纤维膜在等离子体设备中于惰性气氛下进行烧结，得到所述复合负极材料；其中，所述等离子设备的功率为50
‑
200W，烧结温度为800
‑
1200℃。
[0009]上述制备方法工艺简单，操作便捷，制备出结构新颖的锂离子电池用复合负极材料，并具有极低的体积膨胀效应、较大的容量和优异的循环稳定性等，便于其在工业上应用。
[0010]第三方面，本申请提供了含有上述复合负极材料的负极极片。
[0011]第四方面，本申请提供了含有负极极片的电池。
附图说明
[0012]图1为本申请实施例中复合负极材料的结构示意图。
[0013]图2为本申请实施例1中软包全电池的负极极片的截面扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)照片。
[0014]图3为实施例1与部分对比例的扣式电池的循环曲线图。
[0015]图4是实施例1与部分对比例的软包全电池的循环曲线图。
具体实施方式
[0016]以下所述是本申请实施例的示例性实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，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实施例的保护范围。
[0017]请参阅图1，图1为本申请实施方式提供的复合负极材料的结构示意图。该复合负极材料100包括内核10、包覆于内核10表面的第一包覆层20和包覆于第一包覆层20表面的第二包覆层30，其中，内核10包括硅纳米颗粒101和一氧化钛颗粒102，第一包覆层20包括氧化亚硅，第二包覆层30包括具有多孔结构的碳纤维。
[0018]本申请中，内核10同时含有纳米硅材料和一氧化钛，一氧化钛的电导率与石墨接近，其导电性好，可改善相邻纳米硅材料之间的电接触，从而改善循环和倍率性能；另外，一氧化钛是一种零应变材料，其在嵌/脱锂过程中热膨胀很低，其的存在也能抑制硅的体积膨胀。
[0019]含硅的内核10表面具有两层包覆层，其中，氧化亚硅形成的第一包覆层20的稳定性好，具体来说氧化亚硅在长期使用过程中内部结构变化程度小，且在嵌脱锂离子的过程中体积膨胀效应较小，远低于单质硅材料，因此第一包覆层20也可抑制内核纳米硅材料的膨胀。而多孔碳纤维形成的第二包覆层30，具有一定限制作用，可与上述第一包覆层20共同缓解内核硅的体积膨胀，且碳纤维上多孔结构的存在还能为硅的体积膨胀提供释放渠道，进一步缓解硅的体积效应。更重要的是，碳纤维的导电性能良好，可进一步改善纳米硅材料的导电性，赋予整体复合负极材料良好的导电性，提升倍率性能；多孔结构还增大了材料与电解液的接触面积，并为锂离子嵌入/脱出提供了孔道，提升材料的动力学性能，利于理论容量高的内核硅材料的容量得到切实发挥。
[0020]因此，本申请实施例提供的复合负极材料100在脱/嵌锂过程中的体积膨胀效应小，循环稳定性好；导电性能良好，倍率性能好，内核硅材料的高比容量特性能充分发挥，使复合负极材料的放电容量较高，利于电池能量密度提升。
[0021]可选地，所述硅纳米颗粒的直径分布范围为80
‑
150nm。本申请一些实施方式中，所述硅纳米颗粒在复合负极材料100中的质量占比可以为60％
‑
82％。硅纳米颗粒在上述范围，可保证复合负极材料100的比容量不致过低。
[0022]本申请一些实施方式中，所述一氧化钛颗粒的平均直径为40
‑
60nm。此时，一氧化钛的电导率很高，接近石墨，可更显著提升负极材料的导电性，改善倍率性能。
[0023]本申请一些实施方式中，所述一氧化钛颗粒在复合负极材料100中的质量占比可以为2.5％
‑
20％。通过设置上述含量的一氧化钛颗粒，更有利于提升复合负极材料100的导电性，特别利于在内核10中通过一氧化钛建立硅纳米颗粒之间的电连接，且高比容量的硅纳米颗粒的占比不会过低。示例性的，该质量占比例如为2.5％
‑
10％，或3％
‑
8％等。可选地，所述硅纳米颗粒的表面/周围均分布有一氧化钛颗粒。
[0024]本申请一些实施方式中，第一包覆层20(即，氧化亚硅层)的厚度可以在3
‑
25nm的范围。控制第一包覆层20的厚度在此范围，可更好地减缓内核硅材料的体积膨胀，且不影响内核硅嵌/脱锂离子，充分发挥硅材料的高比容量。
[0025]本申请实施方式中，所述氧化亚硅的化学式为SiOx，1≤x＜2。本申请一些实施方式中，所述氧化亚硅为无定形态氧化亚硅。其中，氧化亚硅的质量占复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合负极材料，其特征在于，所述复合负极材料包括内核、包覆于所述内核表面的第一包覆层和包覆于所述第一包覆层表面的第二包覆层，其中，所述内核包括硅纳米颗粒和一氧化钛颗粒；所述第一包覆层包括氧化亚硅；所述第二包覆层包括具有多孔结构的碳纤维。2.如权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述硅纳米颗粒的直径分布范围为80
‑
150nm；优选地，所述硅纳米颗粒在所述复合负极材料中的质量占比为60％
‑
82％。3.如权利要求1所述的硅基复合负极材料，其特征在于，所述一氧化钛颗粒的平均直径为40
‑
60nm；优选地，所述一氧化钛颗粒在所述复合负极材料中的质量占比为2.5％
‑
20％。4.如权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述第一包覆层的厚度为3
‑
25nm。5.如权利要求1或4所述的复合负极材料，其特征在于，所述氧化亚硅为无定形态氧化亚硅；所述氧化亚硅的化学式为SiOx，1≤x＜2；所述氧化亚硅的质量占所述复合负极材料的质量的1
‑
10％。6.如权利要求1所述的复合负极材料，其特征在于，所述第二包覆层的厚度为40
‑
130nm；优选地，所述碳纤维的质量占所述复合负极材料的质量的10
‑
20％。7.如权利要求1或6所述的复合负极材料，其特征在于，所述第二包覆层的孔隙率为60％
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡婧，席利华，吴楚楚，
申请(专利权)人：比亚迪股份有限公司，
类型：发明
国别省市：