负极活性材料及其制备方法和包含其的装置与流程

本技术涉及电池，特别是涉及负极活性材料及其制备方法和包含其的装置。

背景技术：

1、可充放电的电池，具有体积小、能量密度高、安全性高、自放电小、寿命长等有点，在储能、通信、电动汽车、航空航天等多个领域广泛应用。随着电池应用范围越来越广泛，对电池性能的要求也逐渐严苛，比如要求其具有快充能力。

2、电池中的负极活性材料的性能对快充能力起到一定的制约作用，故提高负极活性材料的性能迫在眉睫。

技术实现思路

1、本技术提供一种负极活性材料及其制备方法和包含其的装置，能够提高负极活性材料的快充性能。

2、第一方面，本技术提出了一种负极活性材料。所述负极活性材料包括硅基颗粒、包覆层和压电颗粒；包覆层包覆于所述硅基颗粒的至少部分表面，所述包覆层包括导电碳材料；压电颗粒分散于所述包覆层。

3、由此，本技术的负极活性材料应用于二次电池时，在充电过程中，硅基颗粒可能发生体积膨胀，由此给予包覆层中的压电颗粒以压应力，压电颗粒在二次电池的内部电场和压应力的作用下激发压电效应，从而产生反向电场，均匀化金属离子分布，从而使得金属离子均匀嵌入负极活性材料中，降低金属离子的损失，从而能够保证二次电池的能量密度；且金属离子经由压电颗粒迁移至负极活性材料内部时的能垒相对较低，迁移速度相对较快，故可以提高充电性能。

4、在任意实施方式中，压电颗粒的介电常数大于所述导电碳材料的介电常数；可选地，所述压电颗粒的介电常数ε满足：100≤ε≤100000。压电颗粒的介电常数在上述范围时，其起到的降低迁移能垒的作用效果较好。

5、在任意实施方式中，所述压电颗粒部分显露于所述包覆层的背离所述硅基颗粒的表面。压电颗粒具有显露的表面，该表面使得压电颗粒与电解质能够直接接触，从而进一步有利于压电颗粒降低锂离子迁移的能垒。

6、在任意实施方式中，所述压电颗粒的部分凸出于所述包覆层的背离所述硅基颗粒的表面；由此压电颗粒暴露的表面积更多，与电解液的接触面积增加，能够在用量更少时实现降低去溶剂化过程的动能势垒的作用。

7、在任意实施方式中，所述压电颗粒沿所述包覆层的厚度方向贯穿所述包覆层。压电颗粒的一端与电解液接触，另一端与硅基颗粒接触；压电颗粒与电解液接触的面感应为正电，与硅基颗粒接触的面感应为负电，由此能够更好地降低去溶剂化过程的动能势垒，增加金属离子到达硅基颗粒表面的速度、降低金属离子嵌入负极的阻力，由此本技术的负极活性材料具有良好的动力学性能，能够承受大倍率充电，从而能够提升二次电池的快速充电能力。

8、在任意实施方式中，包覆层的平均厚度为h nm；所述压电颗粒的体积平均粒径dv50为d1 nm，其中，h与d1之间满足：0.25≤h/d1≤1；可选地，0.25≤h/d1≤0.5。h/d1在上述范围时，有利于二次电池同时具有高快速充电能力和高能量密度。

9、在任意实施方式中，压电颗粒的体积平均粒径dv50为d1 nm；所述硅基颗粒的体积平均粒径dv50为d2μm，其中，d1与d2之间满足：0＜d1/d2≤50；可选地，0＜d1/d2≤20。d1/d2在上述范围时，一方面能够充分发挥压电颗粒103压电效应和降低去溶剂化过程的动能势垒的作用，另一方面能够保证本技术的负极活性材料10具有高压实密度，由此二次电池能够同时具有高快速充电能力和高能量密度。

10、在任意实施方式中，压电颗粒的体积平均粒径dv50为d1 nm，0＜d1≤200；可选地，0＜d1≤100；压电颗粒的体积平均粒径dv50在上述范围时，压电颗粒的比表面积相对适中，由此在相同比表面积时所采用的压电颗粒可以更少，由此能够降低二次电池的能量密度损失。

11、在任意实施方式中，所述硅基颗粒的体积平均粒径dv50为d2μm，2≤d2≤10；可选地，3≤d2≤8。硅基颗粒的体积平均粒径满足上述范围时，能够保证负极活性材料具有高压实密度，且能够为压电颗粒提供充分的结合表面，从而有利于压电颗粒发挥压电效应。

12、在任意实施方式中，所述包覆层的平均厚度为h nm，0＜h≤100；可选地，0＜h≤50。包覆层的厚度在上述范围时，能够在一定程度上抑制硅基颗粒的过度膨胀，提高负极活性材料的整体稳定性；并且包覆层能够充分发挥将压电颗粒结合到硅基颗粒的介质作用，保证压电颗粒和硅基颗粒的结合强度。

13、在任意实施方式中，基于所述负极活性材料的总质量计，所述硅基颗粒的质量含量为a1；基于所述负极活性材料的总质量计，所述包覆层中的碳元素的质量含量为a2，其中，a1与a2之间满足：0.02≤a2/a1≤0.1；可选地，0.02≤a2/a1≤0.05。a2/a1满足上述范围时，有利于负极活性材料具有高快速充电能力的同时还具有高克容量、高首次库伦效果和高压实密度，进而二次电池能够同时具有高快速充电能力、高能量密度和高循环容量保持率。

14、在任意实施方式中，基于所述负极活性材料的总质量计，所述硅基颗粒的质量含量为a1；基于所述负极活性材料的总质量计，所述压电颗粒的质量含量为a3，其中，a1与a3之间满足：0.005≤a3/a1≤0.1；可选地，0.01≤a3/a1≤0.03。硅基颗粒的质量含量和压电颗粒的质量含量满足上述范围时，硅基颗粒在发生体积膨胀时，能够给予各处的压电颗粒以压应力，从而激发各处的压电颗粒产生压电效应，使得金属离子朝向硅基颗粒的内部均匀迁移，有利于二次电池具有高快速充电能量；并且压电颗粒的占比不会过高，从而能够保证二次电池的高能量密度。

15、在任意实施方式中，所述压电颗粒包括钛酸钡、钛酸铅、铌酸锂、锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂中的一种或多种。上述种类的压电颗粒能够有效发挥压电效应，以及降低金属离子迁移过程的能垒。

16、在任意实施方式中，所述包覆层中的导电碳材料包括无定型碳，可选地，所述导电炭材料包括硬碳。无定形碳层间距较大，并且其在锂离子脱出和嵌入过程中不会引起体积收缩和膨胀效应，由此其晶体结构更稳定，能使负极活性材料具有良好的动力学性能和承受大倍率充电，从而能够提高二次电池的快速充电能力。

17、在任意实施方式中，所述硅基颗粒包括硅元素和氧元素；基于所述硅基颗粒包含的元素的总摩尔量计，所述硅基颗粒中的硅元素的摩尔含量为m1，基于所述硅基颗粒包含的元素的总摩尔量计，所述硅基颗粒中的氧元素的摩尔含量为m2，其中，0.5≤m1/m2≤2。硅基颗粒满足上述范围时，硅基颗粒更有利于硅的容量发挥，从而能够提高二次电池的容量。

18、在任意实施方式中，所述硅基颗粒还包括掺杂元素m，m包括fe、ti、ni、zr和co中的一种或多种；可选地，基于所述硅基颗粒的总质量计，所述掺杂元素m的质量含为1％～5％。掺杂元素m的掺杂摩尔含量满足上述范围时，有利于掺杂元素保证硅基颗粒101的结构稳定性。

19、在任意实施方式中，所述硅基颗粒包括单质硅、氧化硅、碳化硅、硅铁合金中的一种或多种。

20、在任意实施方式中，所述负极活性材料满足如下条件(1)至(3)中的至少一者：

21、(1)所述负极活性材料的体积平均粒径dv50为d0μm，3≤d0≤8；

22、(2)所述负极活性材料的bet比表面积为s0 m2/g，1≤s0≤3；

23、(3)所述负极活性材料在20000n作用力下的粉体压实密度为p0 g/cm3，1.1≤p0≤1.4。

24、通过调节负极活性材料的体积平均粒径dv50在合适的范围内，有利于负极活性材料具有更好的离子传输和电子传输性能以及快速充电性能，同时还具有较高的粉体压实密度。通过调节负极活性材料的比表面积在合适的范围内，能减少采用其的负极极片与电解液之间的界面副反应，同时还能使采用其的负极极片具有合适的电化学反应活性，由此能使二次电池具有更高的快速充电能力。通过调节负极活性材料的粉体压实密度在合适的范围内，能使负极膜层具有较高的压实密度，进而二次电池具有较高的能量密度。

25、第二方面，本技术提供一种制备负极活性材料的方法，包括s10，提供硅基颗粒、碳源和压电颗粒；s20，将所述硅基颗粒、所述碳源和所述压电颗粒均匀混合，经碳化烧结处理在所述硅基颗粒的至少部分表面形成包括导电碳材料的包覆层，其中，所述压电颗粒分散于所述包覆层中。

26、在任意实施方式中，在s20中，碳化烧结温度为900℃至1500℃；和/或，在s20中，碳化烧结时间为1h至8h。

27、第三方面，本技术提供一种负极极片，其包括负极集流体和设置在负极集流体的至少一个表面上的负极膜层，其中，负极膜层包括本技术第一方面任一实施方式的负极活性材料或本技术第二方面任一实施方式的方法制备的负极活性材料。

28、第四方面，本技术提供一种二次电池，其包括本技术第三方面的负极极片。

29、第五方面，本技术提供一种电池模块，其包括本技术第四方面的二次电池。

30、第六方面，本技术提供一种电池包，其包括本技术第四方面的二次电池。

31、第七方面，本技术提供一种用电装置，其包括本技术第四方面的二次电池、第五方面的电池模块或第六方面的电池包。