一种硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池和用电装置与流程

本发明涉及负极材料，尤其是一种硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池和用电装置。

背景技术：

1、近年来，随着新能源汽车行业的飞速发展，人们对可充电锂离子电池的能量密度提出了更高要求。传统的石墨负极材料拥有电子导电性强、循环性能优异、经济环保等优点，但其较低的理论比容量(372mah/g)限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。

2、在现有的少数锂离子电池负极材料中，硅因其高达4200mah/g的理论比容量成为高能锂离子电池负极材料的首选，在石墨中掺混少量的硅即可有效提升电池的能量密度。然而，硅负极材料存在电子导电性差和体积膨胀大(约300％)等问题，导致硅颗粒粉化失效、和集流体失去电接触、颗粒表面固态电解质膜连续生成等，造成电池容量下降，严重影响了电池的倍率性能和循环性能。

3、因此，需要进一步对锂离子电池的负极材料进一步优化，提供一种具有优异循环性能、和较高放电倍率性能的锂离子电池用的硅碳负极材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，解决现有的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能有待进一步提高的问题，提供一种具有优异循环性能和较高放电倍率性能的锂离子电池用的硅碳负极材料。本发明通过表面包覆无定型碳，提高锂离子电池的循环稳定性，同时调控硅碳负极材料的“石墨-碳化硅-硅”内核材料的物质搭配比例，进一步提高负极材料的结构稳定性，同时提高负极材料的容量发挥，可以显著提高制备得到的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

2、本发明的第一方面，提供了一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括内核和包覆在所述内核表面的功能层：所述内核包括表面设置有碳化硅和硅的石墨，所述功能层包括无定型碳；

3、所述硅碳负极材料满足：ia/ib＝0.02～0.10，ic/ia＝0.10～0.30；

4、其中，ia为硅的(111)晶面峰强度，ib为石墨的(002)晶面峰强度，ic为碳化硅的(111)晶面峰强度。

5、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料中，ia/ib＝0.04～0.08。

6、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料中，ic/ia＝0.15～0.25。

7、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料中，石墨、碳化硅与硅的重量比为1：(0.9～1.8)：(0.1～0.2)。

8、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料的比表面积为1～3m2/g。

9、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料在3t压力下的粉末压实密度为1.5～2.0g/cm3。

10、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料在2t压力下的粉末电阻率为0.003～0.005ω*cm。

11、作为本发明的实施方案，所述硅碳负极材料的dv50为5～25μm，dv50为所述硅碳负极材料累计体积百分数达到50％时所对应的粒径。

12、作为本发明的实施方案，所述功能层的厚度为10～80nm。

13、作为本发明的实施方案，所述功能层的厚度为30～70nm。

14、本发明的第二方面，提供了所述硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：

15、s1.将石墨和硅混合后，在惰性氛围中，通过熔融反应将碳化硅和硅镶嵌到石墨表面；

16、s2.将步骤s1得到的产物、无定形碳的前驱体混合后，在惰性氛围中碳化处理，即得到所述硅碳负极材料。

17、作为本发明的实施方案，步骤s1中所述熔融的具体流程为：以1～10℃/min的升温速度升温至1500～1600℃，恒温1～3h，然后以10～20℃/min的速率降温至20～30℃。

18、作为本发明的实施方案，步骤s2中所述碳化处理的具体流程为：以1～10℃的升温速度升温至800～1000℃，保温1～3h，随后自然冷却。

19、作为本发明的实施方案，所述无定型碳的前驱体包括葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、环糊精、沥青、酚醛树脂、环氧树脂、羧甲基纤维素、柠檬酸中的至少一种。

20、本发明的第三方面，提供了一种锂离子电池，包括负极极片，所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一侧的负极膜片，所述负极膜片包括上述硅碳负极材料或者上述制备方法制得的硅碳负极材料。

21、本发明的第四方面，提供了一种用电装置，包括所述锂离子电池。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明通过表面包覆无定型碳，提高锂离子电池的循环稳定性，同时调控硅碳负极材料的“石墨-碳化硅-硅”内核材料的物质搭配比例，进一步提高负极材料的结构稳定性，同时提高负极材料的容量发挥，可以显著提高制备得到的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

技术特征：

1.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括内核和设置在所述内核表面的功能层，所述内核包括表面设置有碳化硅和硅的石墨，所述功能层包括无定型碳；

2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料满足如下条件中的至少一者：

3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述功能层的厚度为10～80nm。

4.根据权利要求3所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述功能层的厚度为30～70nm。

5.权利要求1～4任一项所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述熔融的具体流程为：以1～10℃/min的升温速度升温至1500～1600℃，恒温1～3h，然后以10～20℃/min的速率降温至20～30℃。

7.根据权利要求5所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述碳化处理的具体流程为：以1～10℃/min的升温速度升温至800～1000℃，保温1～3h，随后自然冷却。

8.根据权利要求5所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述无定型碳的前驱体包括葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、环糊精、沥青、酚醛树脂、环氧树脂、羧甲基纤维素、柠檬酸中的至少一种。

9.一种锂离子电池，包括负极极片，所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一侧的负极膜片，其特征在于，所述负极膜片包括权利要求1～4任一项所述的硅碳负极材料或者权利要求5～8任一项所述制备方法制得的硅碳负极材料。

10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的锂离子电池。

技术总结
本发明提供一种硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池和用电装置。本发明的硅碳负极材料包括内核和设置在所述内核表面的功能层：所述内核包括表面设置有碳化硅和硅的石墨，所述功能层包括无定型碳；所述硅碳负极材料满足：I<subgt;a</subgt;/I<subgt;b</subgt;＝0.02～0.10，I<subgt;c</subgt;/I<subgt;a</subgt;＝0.10～0.30；其中，I<subgt;a</subgt;为硅的(111)晶面峰强度，I<subgt;b</subgt;为石墨的(002)晶面峰强度，I<subgt;c</subgt;为碳化硅的(111)晶面峰强度。本发明通过表面包覆无定型碳，提高锂离子电池的循环稳定性，同时调控硅碳负极材料的“石墨‑碳化硅‑硅”内核材料的物质搭配比例，可以显著提高制备得到的锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。

技术研发人员：罗汉卿,蔡奕金,刘鹏,褚春波
受保护的技术使用者：欣旺达动力科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14