【技術實現步驟摘要】
本申請實施例涉及電極材料制備，特別是涉及一種硅基復合負極材料及其制備方法。
技術介紹
1、鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、污染小、無記憶效應等眾多優點，已經成為新能源汽車產業動力系統的首選。目前，市場上主流的負極材料依然為石墨負極材料，其較低的能量密度已難以滿足人們對動力電池日益增長的能量密度要求。硅基負極材料作為一類新型負極材料，具有超高的理論比容量、合適的嵌鋰電位、低廉的成本等優點。但在嵌/脫鋰的過程中，硅基材料會面臨較大的體積膨脹的問題，導致其結構的粉化和固體電解質界面的不穩定，最終造成不可逆的容量損失。
2、為了緩解硅基材料的體積膨脹，通常的做法是將硅基材料進行包覆。目前將硅基材料進行包覆的方法主要是固相研磨燒結或是氣相沉積，但這兩種方法合成的材料的粒徑較大，膨脹相對還較為嚴重，使得硅基負極在長循環中的電化學性能無法滿足實際需求。
技術實現思路
1、鑒于此，本申請提供了一種硅基復合負極材料，該硅基復合負極材料為核殼結構，外殼包括碳層和/或金屬氧化物層，兼具尺寸小、膨脹率低、優異導電性和導離子性，可一定程度解決現有硅基材料在使用過程中體積膨脹的問題，同時更好地滿足負極材料對于電化學性能的需求。
2、本申請第一方面提供了一種硅基復合負極材料，所述硅基復合負極材料為核殼結構，包括硅核以及包覆在所述硅核表面的外殼，所述外殼包括碳層和/或金屬氧化物層；所述硅基復合負極材料的粒徑為1nm-25nm。
3、本申請實施方式中，所述硅核的粒徑為0.1
4、本申請實施方式中，所述金屬氧化物層包括四氧化三鐵、氧化鎳、氧化鈷和氧化鋁中的任意一種；所述金屬氧化物層的厚度為0.1nm-5nm。
5、本申請實施方式中，所述外殼包括碳層和金屬氧化物層，所述金屬氧化物層位于所述硅核與所述碳層之間。
6、本申請實施方式中，所述硅基復合負極材料中硅與碳的質量比為1:0.6-4。
7、本申請實施方式中，所述硅基復合負極材料還包括摻雜在所述碳層和/或金屬氧化物層中的摻雜元素，所述摻雜元素包括氮、磷和硫中的一種或多種；所述摻雜元素在硅基復合負極材料中的質量比大于0且小于5％。
8、本申請第二方面提供了一種本申請第一方面提供的硅基復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：
9、將有機硅源加入溶劑中，真空超聲混合得到有機硅源混合液；
10、向所述有機硅源混合液中加入表面活性劑、有機碳源和/或金屬鹽，真空超聲混合得到硅基混合液；
11、將所述硅基混合液進行熱反應后，得到硅基復合負極材料前驅體；
12、將所述硅基復合負極材料前驅體轉移至加熱設備中，在通風口處加入金屬還原劑，燒結后得到硅基復合負極材料。
13、本申請實施方式中，所述熱反應的溫度為140℃-250℃，所述熱反應的時間為12h-36h。
14、本申請實施方式中，所述燒結的升溫速度為3℃/min-8℃/min，所述燒結的保溫溫度為600℃-900℃，所述燒結的保溫時間為1.5h-5h。
15、本申請實施方式中，所述有機硅源包括正硅酸四丁酯、正硅酸四乙酯、二苯基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷和乙基三乙氧基硅烷中的一種或多種。
16、本申請實施方式中，所述溶劑包括水和乙醇，所述水和乙醇的質量比為1:0.25-4；或者所述溶劑包括正己烷、正戊烷、正庚烷、環己烷和環戊烷中的一種或多種液體烷烴。
17、本申請實施方式中，所述有機碳源包括三聚氰胺、尿素、多巴胺、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮、單寧酸和苯類、酚類有機物中的一種或多種。
18、本申請實施方式中，所述金屬鹽包括鐵鹽、鈷鹽、鎳鹽和鋁鹽中的任意一種。
19、本申請實施方式中，所述表面活性劑包括十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸銨、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磷酸酯、十二烷基甜菜堿、脂肪醇、月桂基硫酸三乙醇銨、α-烯基磺酸鈉、椰子酰甲基牛磺酸胺和椰油酰胺丙基甜菜堿中的一種或多種。
20、本申請實施方式中，所述金屬還原劑包括鎂粉、鋁粉、鋅粉和鈦粉中的一種或多種。
21、本申請實施方式中，所述硅基復合負極材料的制備方法還包括在所述有機硅源混合液中加入元素摻雜劑；所述元素摻雜劑包括氮摻雜劑、磷摻雜劑和硫摻雜劑中的一種或多種。
22、本申請第三方面提供了一種硅基復合負極材料，所述硅基復合負極材料由本申請第二方面提供的制備方法制得。
23、本申請第四方面提供了一種電池負極，包括導電集流體以及負載在所述導電集流體上的負極活性物質，所述負極活性物質包括如第一方面所述的硅基復合負極材料或由本申請第二方面所述的硅基復合負極材料的制備方法得到的硅基復合負極材料。
24、本申請第五方面提供了一種電池，所述電池包括正極、負極以及位于正極與負極之間的隔膜和電解液，所述負極包括如第三方面所述的電池負極。
25、本申請第六方面提供了一種用電設備，所述用電設備包括如第四方面所述的電池。
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1.一種硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料為核殼結構，包括硅核以及包覆在所述硅核表面的外殼，所述外殼包括碳層和/或金屬氧化物層；所述硅基復合負極材料的粒徑為1nm-25nm。
2.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅核的粒徑為0.1nm-10nm；所述碳層的厚度為1nm-8nm。
3.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述金屬氧化物層包括四氧化三鐵、氧化鎳、氧化鈷和氧化鋁中的任意一種；所述金屬氧化物層的厚度為0.1nm-5nm。
4.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述外殼包括碳層和金屬氧化物層，所述金屬氧化物層位于所述硅核與所述碳層之間。
5.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料中硅元素與碳元素的質量比為1:0.6-4。
6.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料還包括摻雜在所述碳層和/或金屬氧化物層中的摻雜元素，所述摻雜元素包括氮、磷和硫中的一種或多種；所述摻雜元素在硅基復合負極材料中的質量比
7.一種硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.如權利要求7所述的硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，所述熱反應的溫度為140℃-250℃，所述熱反應的時間為12h-36h；所述燒結的升溫速度為3℃/min-8℃/min，所述燒結的保溫溫度為600℃-900℃，所述燒結的保溫時間為1.5h-5h。
9.如權利要求8所述的硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，所述有機硅源包括正硅酸四丁酯、正硅酸四乙酯、二苯基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷和乙基三乙氧基硅烷中的一種或多種；所述有機碳源包括三聚氰胺、尿素、多巴胺、葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮、單寧酸和苯類、酚類有機物中的一種或多種；所述金屬鹽包括鐵鹽、鈷鹽、鎳鹽和鋁鹽中的任意一種；所述溶劑包括水和乙醇，所述水和乙醇的質量比為1:0.25-4；或者所述溶劑包括正己烷、正戊烷、正庚烷、環己烷和環戊烷中的一種或多種液體烷烴；所述表面活性劑包括十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸銨、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磷酸酯、十二烷基甜菜堿、脂肪醇、月桂基硫酸三乙醇銨、α-烯基磺酸鈉、椰子酰甲基牛磺酸胺和椰油酰胺丙基甜菜堿中的一種或多種；所述金屬還原劑包括鎂粉、鋁粉、鋅粉和鈦粉中的一種或多種。
10.如權利要求7-9任一項所述的硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，還包括在所述有機硅源混合液中加入元素摻雜劑；所述元素摻雜劑包括氮摻雜劑、磷摻雜劑和硫摻雜劑中的一種或多種。
11.一種硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料由如權利要求7-10任一項所述的硅基復合負極材料的制備方法制得。
12.一種電池負極，其特征在于，包括導電集流體以及負載在所述導電集流體上的負極活性物質，所述負極活性物質包括如權利要求1-6任一項所述的硅基復合負極材料或由如權利要求7-10任一項所述的硅基復合負極材料的制備方法制得的硅基復合負極材料。
13.一種電池，其特征在于，所述電池包括正極、負極、以及位于所述正極與所述負極之間的隔膜和電解液，所述負極包括如權利要求12所述的電池負極。
14.一種用電設備，其特征在于，所述用電設備包括如權利要求13所述的電池。
...【技術特征摘要】
1.一種硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料為核殼結構，包括硅核以及包覆在所述硅核表面的外殼，所述外殼包括碳層和/或金屬氧化物層；所述硅基復合負極材料的粒徑為1nm-25nm。
2.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅核的粒徑為0.1nm-10nm；所述碳層的厚度為1nm-8nm。
3.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述金屬氧化物層包括四氧化三鐵、氧化鎳、氧化鈷和氧化鋁中的任意一種；所述金屬氧化物層的厚度為0.1nm-5nm。
4.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述外殼包括碳層和金屬氧化物層，所述金屬氧化物層位于所述硅核與所述碳層之間。
5.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料中硅元素與碳元素的質量比為1:0.6-4。
6.如權利要求1所述的硅基復合負極材料，其特征在于，所述硅基復合負極材料還包括摻雜在所述碳層和/或金屬氧化物層中的摻雜元素，所述摻雜元素包括氮、磷和硫中的一種或多種；所述摻雜元素在硅基復合負極材料中的質量比大于0且小于5％。
7.一種硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.如權利要求7所述的硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，所述熱反應的溫度為140℃-250℃，所述熱反應的時間為12h-36h；所述燒結的升溫速度為3℃/min-8℃/min，所述燒結的保溫溫度為600℃-900℃，所述燒結的保溫時間為1.5h-5h。
9.如權利要求8所述的硅基復合負極材料的制備方法，其特征在于，所述有機硅源包括正硅酸四丁酯、正硅酸四乙酯、二苯基硅烷、3-氨丙基三乙...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊榮，王良俊，何科峰，吳楚楚，謝帥，
申請(專利權)人：重慶弗迪電池研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：
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