一种表面双层包覆硅负极材料结构的制作方法

本实用新型属于新能源技术领域。

背景技术：

目前，锂离子电池已得到广泛应用，主要原因是其具有能量密度高、功率密度高、循环性能好、环境友好以及结构多样化等优异特性。在锂离子动力电池的发展需求方面，要求负极材料具有高容量、长寿命、高首效以及快速率充放电等特点。现有的石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，其中商业化石墨负极产品已达350mAh/g左右，基本已无提升空间。硅作为锂离子电池负极材料的理论容量可达4200mAh/g左右，且硅在地壳中的含量丰富，仅次于氧，因此成为研究热点。但是，硅在储锂形成锂硅合金的过程会导致硅材料发生严重的体积膨胀（~300%），使得电极材料发生粉化碎裂，从集流体上脱落，造成电极容量迅速衰减，最终导致电池循环性能变差。

近期研究发现，硅表面的氧化层可以非常有效地提高硅负极材料的循环稳定性，原因有两方面，第一，在首次嵌锂过程中硅表面会形成Li2O、Li4SiO4、Li6Si2O7等产物，其中包含Li-O和Si-O键，在纳米尺度下，材料的机械应力由原子键决定，而Li-O和Si-O的键能比Li-Si大，使得硅材料被一层更坚硬的氧化物层所包覆，这种包覆可有效地限制内部Si材料的膨胀。第二，硅表面的Si-O键会与粘结剂中碳氢氧结构结合形成化学键从而实现对硅材料的弹性钉扎作用。但是，Si/SiOx材料的首次库伦效率特别低，只有40%左右，这是由于首次嵌锂过程中生成的Li2O、Li4SiO4、Li6Si2O7等产物是不可逆的，这种现象在其它氧化物复合负极材料中也会发生。因此，硅颗粒表面氮化改性方法应运而生。由于氮化硅层的吉布斯自由能（△G）为-642.6KJ/mol，其比Li22Si5和Li2O更稳定，因此可限制内部Si材料的膨胀。且Li3N的△G为-155.1KJ/mol，而Li2O的△G为-561.2KJ/mol，说明Li3N比Li2O更不稳定，更易分解，因此硅粉氮化后形成不可逆氮化物的概率很小，从而可有望获得较高的首次库仑效率。但是，硅表面经过氮化处理后，其表面不存在Si-O键，从而导致硅表面与粘结剂的不能形成较好的结合，最终失去粘结剂对硅材料的弹性钉扎作用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出了一种表面双层包覆硅负极材料结构。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

本实用新型所述的一种表面双层包覆硅负极材料结构，其特征是硅颗粒表面由内而外依次为氮化硅层和氧化硅层。

进一步地，本实用新型所述的氧化硅层厚度为1-5 nm。

进一步地，本实用新型所述的氮化硅层厚度为1-10 nm。

进一步地，本实用新型所述的氧化硅层可为晶态或非晶态。

进一步地，本实用新型所述的氮化硅层可为晶态或非晶态。

本实用新型技术的效果：本实用新型中所述氧化硅和氮化硅双层包覆硅负极材料结构既可利用内层的氮化硅层对硅材料储锂膨胀进行限制，又可通过外层氧化硅层中的Si-O键与粘结剂中碳氢氧结构结合形成化学键从而起到弹性钉扎作用，从而提高锂离子电池的循环稳定性。同时由于内层氮化硅层的存在，外层的氧化硅层的作用仅仅是与粘结剂结合形成钉扎效果，因此其厚度可较薄，这样就不会在储锂过程中产生过多的不可逆氧化物，那么硅负极材料的首次库伦效率也就不会受到太大影响。因此，该氧化硅和氮化硅双层包覆硅负极材料结构可望同时具备高比容量、优异的循环稳定性以及高的首次库仑效率。

附图说明

图1为本实用新型表面双层包覆硅负极材料结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例1。

如附图1所示的一种表面双层包覆硅负极材料结构。硅颗粒粒径为200nm，表面氮化硅层为晶态且厚度为3nm，氧化硅层为非晶态且厚度为1nm。

该结构即可利用内层氮化硅层对硅材料储锂膨胀进行限制，又可通过外层氧化硅层的Si-O键与粘结剂中碳氢氧结构结合形成化学键从而起到弹性钉扎作用，同时由于外层氧化硅层较薄，这样就不会在储锂过程中产生过多的不可逆氧化物，那么硅负极材料的首次库伦效率也就不会受到太大影响。

实施例2。

如附图1所示的一种表面双层包覆硅负极材料结构。硅颗粒粒径为100nm，表面氮化硅层为晶态且厚度为4nm，氧化硅层为非晶态且厚度为2nm。

该结构即可利用内层氮化硅层对硅材料储锂膨胀进行限制，又可通过外层氧化硅层的Si-O键与粘结剂中碳氢氧结构结合形成化学键从而起到弹性钉扎作用，同时由于外层氧化硅层较薄，这样就不会在储锂过程中产生过多的不可逆氧化物，那么硅负极材料的首次库伦效率也就不会受到太大影响。