本技术涉及锂离子电池负极材料领域,特别提供了一种弹性缓冲硅碳复合负极材料及其制备技术。该材料由多孔硅/二氧化硅颗粒和碳纳米管构成,旨在提高电池性能和稳定性。
背景技术
21世纪以来,世界能源问题越来越突出,不可再生能源的过度使用引发了全球性温室效应,造成了能源紧缺与环境恶化等问题。为有效应对能源危机,新能源材料的开发及其产业建设受到了越来越多的关注。随着太阳能、海洋能、风能等新型可再生能源的不断发展,能源与环境问题得到了一定程度的改善。但由于自然条件的不稳定及相关技术的匮乏,可再生能源在储存时会发生大量损失,难以应对持续性供能的工作状况。因此,研究和开发更有效的储能技术是实现新能源产业高效发展的重要环节之一。
锂离子电池是移动通讯、电动载具及电网调峰等领域的关键储能装置,因具有充放电效率高、无重金属污染和循环寿命长等优点,被各种移动通信设备广泛使用。随着能源转型的深入及新型可再生能源占比的增长,亟需发展更高效的储能锂离子电池,以满足新能源汽车及大规模储能系统等对高性能锂离子电池的迫切需求。
负极作为锂离子电池的储能主体,是决定锂离子电池性能的关键性因素。理想的负极材料应当具备比容量高、储锂稳定性良好、安全性高以及环境友好等特点。石墨类材料凭借低成本、高导电性和高可逆性的优势成为了目前商用化程度最大的负极材料。然而,石墨的理论比容量有限(372 mAh/g),难以满足新一代储能系统对能量密度的更高需求。硅具有自然界已知的最高理论比容量(室温下形成Li15Si4,3590 mAh/g;高温下形成Li22Si5,4200 mAh/g)、较低的对锂电位(0.4 V vs. Li/Li+)、含量丰富以及环境友好等特点,是公认的最有希望替代传统石墨的负极材料。然而,目前在硅基负极材料的研发过程中仍然面临着以下亟待解决的问题:硅在嵌锂/脱锂的过程中伴随着巨大的体积变化(300%~400%),这不但会造成负极材料因无法承受巨大的机械应力而粉化失效,而且会造成固态电解质界面层(SEI层)的不断破坏与重构,导致锂离子的不断消耗及容量降低。
CN 111211314 A公开了一种碳包覆多孔硅碳复合材料及其制备方法,该复合材料是在多孔硅上均匀包覆有碳纳米管形成的,其制备方法为:S1,对硅合金粉末进行酸洗、刻蚀,在酸洗前或刻蚀后加入碳纳米管,得到多孔硅混合材料;S2,将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料,球磨或砂磨分散,干燥,得到Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物;S3,将Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物放入高温炉中,惰性气体氛围下,500-1200℃保温碳化2-24 h,得到Si/SiOx-C-碳纳米管复合物;S4,将Si/SiOx-C-碳纳米管复合物气流粉碎即得。该方法引入碳纳米管的主要作用是提供长程导电网络,虽然由此可以改善硅负极材料的导电性,避免嵌锂/脱锂过程中负极材料电子传导性能的丧失,但仍然存在以下不足之处有待改进:(1)该方法的S1步骤中,先将硅合金粉末加入盐酸中腐蚀去除金属元素,再用氢氟酸腐蚀去除硅氧化物,由此刻蚀得到的孔隙仅位于材料表面,孔隙非常少且离散分布,未形成相互贯通的结构,见其附图1。一方面,这样的孔结构不利于电解液对多孔硅内部的浸润,电解液在其中流通困难,难以实现锂离子在多孔硅内部的有效传输,另一方面,这样的孔结构使得多孔硅的比表面积有限,因而电解液与多孔硅的接触面积有限,导致电极材料的反应活性有限。以上因素会限制电极材料的比容量、快充快放等性能。(2)该方法的S2步骤中,专门添加了分散剂进行分散,其目的是使碳纳米管在多孔硅的表面并相互搭接形成导电网络结构,见其附图2,该方法的关键也在于此,虽然多孔硅在嵌锂/脱锂过程中会发生体积膨胀,但形成的导电网络在多孔硅体积膨胀后依然有效,由此来避免嵌锂/脱锂过程中硅负极材料电子传导丧失的问题。但是,碳纳米管相互搭接形成的导电网络本身并不能缓冲内部的多孔硅在充放电过程中产生的内应力和体积膨胀,因而该材料在锂离子嵌入和脱出过程中仍然容易因巨大的体积变化而粉化失效,不利于负极材料的循环稳定性的提升。
实现思路