负极材料及其制备方法、电池与流程

本技术涉及负极材料，具体地讲，涉及负极材料及其制备方法、电池。

背景技术：

1、锂离子电池具有能量密度大、循环寿命高、环境污染小和无记忆效应等优点，因此被广泛应用于电动汽车及消费类电子产品中。近年来电动汽车的飞速发展，对更高能量密度锂离子电池的需求日益增长，这就促使研究者们寻找具有更高能量密度，更优循环性能的电池材料。正负极材料是电池的核心，决定了电池的工作效率。目前，商业化的负极材料是石墨，其容量已经接近理论上限，进一步提升的幅度有限，因此，迫切需要发展新一代高能量密度的负极材料。其中，硅基负极材料被普遍认为是下一代的电池负极材料，具备高容量、来源丰富、相对安全等优势。

2、硅负极被普遍认为是下一代的电池负极材料，具备高容量、来源丰富、相对安全等优势。但是硅负极在循环过程中存在剧烈的体积膨胀效应，导致材料粉化、破碎，材料的循环衰减很快。通常采用硅碳复合的方式来抑制硅的体积膨胀，但是目前的复合方式硅粒子容易发生团聚，导致负极材料的局部膨胀应力过大，影响负极材料的循环稳定性。

技术实现思路

1、本技术提供负极材料及其制备方法、电池，能够提高硅粒子的分散均匀性，能够有效抑制负极材料体积膨胀，提升电池循环性能。

2、第一方面，本技术提供一种负极材料，所述负极材料包括碳材料及硅粒子，所述硅粒子位于所述碳材料的颗粒内部和/或所述碳材料的颗粒之间；所述碳材料的总体积为vc，所述硅粒子的总体积为vsi，其中，1≤vc/vsi≤2；

3、将所述负极材料颗粒的sem切面分割成面积为a×b的多个单位区域，其中，a×b=104nm2，任意一个单位区域内的相邻硅粒子之间的平均间距为d nm，3≤d≤50。

4、第二方面，本技术提供一种负极材料，所述负极材料包括碳材料及硅粒子，所述硅粒子位于所述碳材料的颗粒内部和/或所述碳材料的颗粒之间；所述碳材料的总体积为vc，所述硅粒子的总体积为vsi，其中，1≤vc/vsi≤2；

5、将所述负极材料颗粒的sem切面分割成面积为a×b的多个单位区域，其中，a×b=104nm2，任意一个单位区域内的硅粒子的数量为n 颗，1≤n≤30。

6、在一些实施方式中，所述硅粒子包括晶体硅、非晶硅及硅合金中的至少一种。

7、在一些实施方式中，所述硅粒子的平均粒径为1nm~50nm。

8、在一些实施方式中，所述碳材料包括无定形碳、结晶碳、石墨纤维、碳纳米管、碳纤维及中间相碳微球中的至少一种。

9、在一些实施方式中，所述碳材料包括无定形碳。

10、在一些实施方式中，所述负极材料的中值粒径为5µm~15µm。

11、在一些实施方式中，所述负极材料的比表面积1m2/g~20m2/g。

12、在一些实施方式中，所述负极材料中碳元素的质量含量为30%~75%。

13、在一些实施方式中，所述负极材料中硅元素的质量含量为25%~65%。

14、第三方面，本技术提供一种负极材料的制备方法，包括如下步骤：

15、制备含硅粒子和分散剂的混合液，往所述混合液中加入絮凝液进行混合处理，固液分离得到前驱体；

16、将前驱体与碳源前驱体混合后进行预热处理，得到复合物；

17、将所述复合物进行碳化处理，得到负极材料。

18、在一些实施方式中，所述硅粒子包括晶体硅、非晶硅及硅合金中的至少一种。

19、在一些实施方式中，所述分散剂包括硬脂酸、硬质酸钠、硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸钙、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素和聚丙烯酸中的至少一种。

20、在一些实施方式中，所述硅粒子与所述分散剂的质量比为100：（20~100）。

21、在一些实施方式中，所述混合液还包括溶剂，所述溶剂包括水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、戊醇和乙酸乙酯中的至少一种。

22、在一些实施方式中，所述混合处理在搅拌状态下进行。

23、在一些实施方式中，所述混合处理的时间为0.5h~6h。

24、在一些实施方式中，所述固液分离的步骤包括将加入絮凝液后的混合液进行过滤，冷冻干燥，得到前驱体。

25、在一些实施方式中，所述硅粒子与所述絮凝液的质量比为1：（1~1.3）。

26、在一些实施方式中，所述絮凝液包括絮凝剂，所述絮凝剂包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁、聚合氯化铝、聚合硫酸铝和聚丙稀酰胺中的至少一种。

27、在一些实施方式中，所述絮凝液的固含量为0.1%~0.5%。

28、在一些实施方式中，所述冷冻干燥的温度为-20~ -30℃。

29、在一些实施方式中，所述冷冻干燥的时间为10h-24h。

30、在一些实施方式中，所述碳源前驱体包括蔗糖、葡萄糖、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚苯胺、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯及沥青中的至少一种。

31、在一些实施方式中，所述硅粒子与所述碳源前驱体的质量比为100：（100~250）。

32、在一些实施方式中，所述预热处理的温度为150℃~350℃。

33、在一些实施方式中，所述预热处理的时间为2h~15h。

34、在一些实施方式中，所述预热处理在搅拌状态下进行。

35、在一些实施方式中，所述碳化处理的温度为700℃~1000℃。

36、在一些实施方式中，所述碳化处理的时间为1h~10h。

37、在一些实施方式中，所述碳化处理的升温速率为2℃/min~10℃/min。

38、在一些实施方式中，所述碳化处理在保护性气体下进行。

39、在一些实施方式中，所述碳化处理在保护性气体下进行，所述保护性气体包括氮气、氦气、氖气、氩气及氪气中的至少一种。

40、第三方面，本技术提供一种电池，所述电池包括上述的负极材料或根据上述的制备方法制得的负极材料。

41、本技术的技术方案至少具有以下有益的效果：

42、本技术提供的负极材料，负极材料包括碳材料及硅粒子，所述硅粒子位于所述碳材料的颗粒内部和/或所述碳材料的颗粒之间；任意一个单位区域内的硅粒子之间的平均间距为d nm，3≤d≤50，硅粒子能够实现在碳材料的颗粒内和/或碳材料的颗粒之间的均匀分散，能够减少硅粒子团聚引起的负极材料局部应力过大，减少负极材料的颗粒破碎或粉化。另外，控制碳材料的体积与硅粒子的体积比值在1~2范围内，能够提高负极材料的导电性，在循环过程中可以有效缓解硅粒子体积膨胀效应，保持负极材料颗粒的结构稳定性，进而提升负极材料的循环性能。

43、本技术提供的负极材料，所述负极材料包括碳材料颗粒及硅粒子，所述硅粒子位于所述碳材料的颗粒内部和/或所述碳材料的颗粒之间；任意一个单位区域内的硅粒子的数量为n颗，1≤n≤30，硅粒子能够实现在碳材料的颗粒内和/或碳材料的颗粒之间的均匀分散，能够减少硅粒子团聚引起的负极材料局部应力过大，减少负极材料的颗粒破碎或粉化。另外，控制碳材料的体积与硅粒子的体积比值在1~2范围内，能够提高负极材料的导电性，在循环过程中可以有效缓解硅粒子体积膨胀效应，保持负极材料颗粒的结构稳定性，进而提升负极材料的循环性能。

44、本技术提供的负极材料的制备方法，首先通过将硅粒子分散在含有分散剂的混合液中，可以使得硅粒子能够得到充分分散；再加入絮凝剂使得硅粒子与分散剂同步絮凝沉淀，固液分离后得到复合物，由于硅粒子表面存在分散剂，可以减少硅粒子的团聚。接着将前驱体与碳源混合，在一次热处理过程中使得碳源能够通过熔融、渗透置换位于硅粒子表面的分散剂，并使得硅粒子在碳源前驱体中仍保持分散状态；最后通过预热处理并进行碳化处理，得到负极材料，负极材料中的硅粒子能够分散在碳材料的颗粒内部和/或碳材料的颗粒之间，能够提高负极材料的导电性，在循环过程中可以有效缓解硅粒子体积膨胀效应，保持负极材料颗粒的结构稳定性，进而提升负极材料的循环性能。