一种硅基负极材料及制备方法、锂离子电池与流程

本申请属于电池材料，具体涉及一种硅基负极材料及制备方法、锂离子电池。

背景技术：

1、硅材料(si)由于其具有高理论比容量(4200mah·g-1)、低嵌锂电位和储量丰富，被认为是下一代锂离子电池(lib)负极的候选材料。然而，硅负极的商业化之路进展缓慢，其主要原因是电极在循环过程中的失效，包括机械失效和电化学失效。机械失效是由于硅材料的嵌锂膨胀引起的，是可以通过降低硅材料的尺寸来避免的；而电化学失效主要与固态电解质膜(sei膜)有关，sei膜在循环过程中破坏与再生的过程消耗大量活性锂并加剧电解液的副反应，从而导致电芯性能快速衰减。

2、除降低颗粒尺寸制备纳米硅以外，构建核壳结构是能够有效降低硅基材料极片膨胀率的方法。现有技术中使用无机材料进行硅包覆虽然取得了一定的抑制体积膨胀的效果，但是对膨胀的限制效果有限。因此，提供一种硅基负极材料，有效地抑制硅材料的体积膨胀并保证其良好的电化学性能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种硅基负极材料及制备方法、锂离子电池，旨在解决现有硅基材料形成的负极极片膨胀率高、影响电池循环性能的问题。

2、一方面，本申请实施例提供一种硅基负极材料，包括颗粒和包覆于所述颗粒表面的壳层，其中，所述壳层的制备原料包括化合物i与多胺类化合物；

3、其中，所述化合物i的化学式为：

4、

5、其中，x为cl或f中任意一种。

6、在一些实施例中，所述颗粒与所述壳层的质量比为(30～70)：1。

7、在一些实施例中，所述颗粒包括硅粉、硅氧材料或硅碳材料中的至少一种。

8、另一方面，本申请实施例还提供一种硅基负极材料的制备方法，用于制备上述任意实施例中的硅基负极材料，制备方法包括如下步骤：

9、将化合物i与硅源混合，加入多胺类化合物进行反应，得到中间产物；

10、向所述中间产物中加入阴离子置换化合物进行反应，干燥，得到所述硅基负极材料。

11、在一些实施例中，所述多胺类化合物包括n,n,n',n'-四甲基-1,6-己二胺、n,n,n',n'-四甲基-1,10-癸二胺、2,6,10-三甲基-2,6,10-三氮杂十一烷、n,n,n',n'-四甲基-1,4-丁二胺、n,n,n',n'-四甲基-1,3-丙二胺，n,n,n',n'-四甲基乙二胺或n,n,n,n,n-五甲基二亚乙基三胺中的一种。

12、在一些实施例中，所述阴离子置换化合物包括六氟磷酸、四氟硼酸、六氟磷酸银、四氟硼酸银、六氟磷酸铵和四氟硼酸铵中的一种。

13、在一些实施例中，所述硅源、化合物i与多胺类化合物的质量比为1：(20～40)：(0.25～0.6)。

14、在一些实施例中，所述阴离子置换化合物与所述中间产物的摩尔比为(6～7.2)：1。

15、在一些实施例中，所述化合物i与硅源混合的时间为1～4h。

16、在一些实施例中，所述加入多胺类化合物进行反应的时间为10～60min。

17、在一些实施例中，所述加入阴离子置换化合物进行反应的时间为1～3h。

18、在一些实施例中，所述化合物i通过如下步骤制备：

19、将对卤代甲基苯乙烯、cucl和吡啶在有机溶剂中混合，加热，进行反应，得到所述化合物i。

20、在一些实施例中，所述卤代甲基苯乙烯、cucl和吡啶的摩尔比为10：(1～1.2)：(2～2.5)。

21、在一些实施例中，所述卤代甲基苯乙烯在所述有机溶剂中的浓度为1g/3ml～1g/5ml。

22、在一些实施例中，所述卤代甲基苯乙烯包括对氯甲基苯乙烯或对氟甲基苯乙烯。

23、在一些实施例中，所述有机溶剂包括氯苯、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮。

24、在一些实施例中，所述加热的温度为100～125℃。

25、本申请实施例还提供一种锂离子电池，包括负极极片，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括任意实施例中的硅基负极材料。

26、本申请提供的硅基负极材料，包括颗粒和包覆于颗粒表面的壳层，其中，壳层的制备原料包括化合物i与多胺类化合物。该包覆壳层具有良好的弹性和机械强度，与无机材料形成的包覆壳层相比，具有分子量和结构可调控的特点，具有离子液体的性质，有利于实现锂离子的传导。本申请提供的硅基负极材料制备方法包括：将化合物i与硅源混合，加入多胺类化合物进行反应，得到中间产物；向中间产物中加入阴离子置换化合物进行反应，干燥，得到硅基负极材料。制备方法通过使用多官能团树枝状的化合物i作为反应原料，能够形成良好的包覆网络，此外，化合物i的多元苯环赋予有机保护层高机械强度，与主链为柔软的烷基链的多胺类化合物进行结合，能够赋予包覆材料良好的柔韧性，从而有效限制硅材料在嵌锂过程中产生的膨胀，有利于提升电池性能。

技术特征：

1.一种硅基负极材料，其特征在于，包括颗粒和包覆于所述颗粒表面的壳层，其中，所述壳层的制备原料包括化合物i与多胺类化合物；

2.根据权利要求1所述的一种硅基负极材料，其特征在于，所述颗粒与所述壳层的质量比为(30～70)：1。

3.根据权利要求1所述的一种硅基负极材料，其特征在于，所述颗粒包括硅粉、硅氧材料或硅碳材料中的至少一种。

4.一种如权利要求1～3中任意一项所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述多胺类化合物包括n,n,n',n'-四甲基-1,6-己二胺、n,n,n',n'-四甲基-1,10-癸二胺、2,6,10-三甲基-2,6,10-三氮杂十一烷、n,n,n',n'-四甲基-1,4-丁二胺、n,n,n',n'-四甲基-1,3-丙二胺，n,n,n',n'-四甲基乙二胺或n,n,n,n,n-五甲基二亚乙基三胺中的一种；和/或，

6.根据权利要求4所述的一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求4所述的一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求4所述的一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述化合物i通过如下步骤制备：

9.根据权利要求8所述的一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，

10.一种锂离子电池，包括负极极片，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括如权利要求1～3所述的硅基负极材料或包括如权利要求4～9中任一项所述的制备方法制得的硅基负极材料。

技术总结
本申请一种硅基负极材料及制备方法、锂离子电池。硅基负极材料包括颗粒和包覆于颗粒表面的壳层，其中，壳层的制备原料包括化合物I与多胺类化合物。该包覆壳层具有良好的弹性和机械强度，具有离子液体的性质。制备方法包括：将化合物I与硅源混合，加入多胺类化合物进行反应，得到中间产物；向中间产物中加入阴离子置换化合物进行反应，干燥，得到硅基负极材料。通过使用多官能团树枝状的化合物I作为反应原料，能够形成良好的包覆网络，此外，化合物I的多元苯环赋予有机保护层高机械强度，与主链为柔软的烷基链的多胺类化合物进行结合，能够赋予包覆材料良好的柔韧性，从而有效限制硅材料在嵌锂过程中产生的膨胀，有利于提升电池性能。

技术研发人员：师悦,王文超,苏甜,马勇,胡波剑,李云明
受保护的技术使用者：蜂巢能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7