CN113948692A - 一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料及其制备。该材料有核‑中间包覆层‑壳三层结构。其中,核是硅氧化物或掺杂硅氧化物,中间包覆层为惰性材料,最外壳层为导电材料。该复合材料的粒径大小为0.01‑100μm。其中中间包覆层惰性组分的含量占材料总质量的0.5‑70wt%,最外层导电材料包覆层的重量占材料总质量的0.5‑30wt%,余下的质量为作为核的硅氧化物所占质量。该复合材料理论比容量高,脱嵌锂过程体积变化比纯硅小,材料结构稳定,电化学循环性能也比硅好,且能够有效的抑制复合材料在充放电过程中的体积膨胀,提高材料的导电性,使其在锂离子电池领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,属于新能源材料领域。
背景技术
近年来,随着新能源技术的发展,电池作为一种电能和化学能转化的载体,能够高效的将电能以化学能的形式储存于体系内,在能源的分布式移动式存储与应用中具有巨大的前景。其中,锂离子电池作为一类二次电池,以其高的质量能量密度以及体积能量密度,在电化学储能、电动汽车以及消费电子市场中均有广泛的应用。因此,发展具有高能量密度兼具良好循环性、安全性的锂离子电池体系是今后电池技术发展的必然方向。锂离子电池主要是由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、集流体和包装外壳等组成,其电池的能量密度主要取决于正、负电极材料的容量。目前商业化锂离子电池石墨负极的理论容量仅为372mAh/g,限制了锂离子电池容量的进一步提升。硅负极材料因其高的理论比容量(比容量最高可达4200 mAh/g),成为下一代高能量密度锂离子电池的理想负极材料。然而,在实际的应用过程中,硅基负极材料导电性相对较差,并且在脱嵌锂过程中存在巨大的体积变化(300%),导致其容量发生快速衰减,从而影响电池整体的循环性能。
目前,为了改善硅基负极材料的导电性以及循环性能,多数采用的是在其表面包覆一层导电材料,特别是碳材料,来构建核壳的结构。从相关的研究结果表明表面导电碳材料的包覆能够在一定程度上提高硅负极的循环性能和倍率性能。然而,由于巨大的体积变化,会使得表面包覆的材料发生破裂,使得电解液会与暴露出来的硅继续发生副反应形成SEI,导致电解液的大量消耗,造成电池容量衰减。相比于硅负极材料而言,硅氧化物(SiOx)负极材料因其具有较低的体积膨胀(约为150%左右),能够在一定程度上提高材料的循环性能,使其有望替代硅作为高能量密度锂离子电池的负极材料。然而,体积膨胀依然会使表面包覆的碳材料不断发生破裂,导致副反应的持续发生,SEI不断生成,带来电池容量的衰减。因此,如何缓解硅氧化物负极在脱嵌锂过程中的体积膨胀,防止包覆层破碎、新鲜硅氧负极材料暴露在电解液中是开发高效稳定硅氧负极材料的关键。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术中存在硅基负极材料的比容量低、循环稳定性差的问题。为解决上述技术问题,本发明提供一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,该复合材料能够有效抑制复合材料在充放电过程中的体积膨胀,提高材料的导电性和稳定性,提高电池的循环性能,降低电池成本。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案如下:
本发明所述复合物材料具备核-中间包覆层-壳三层结构,其中包括作为核的硅氧化物,作为中间包覆层的惰性材料,以及作为最外层壳的导电材料。该复合材料的粒径大小为0.01-100μm,中间包覆层惰性组分的含量占整个材料质量的0.5-70wt%,最外层壳层导电材料包覆层的质量占复合材料总质量的0.5-30wt%,余下的质量比例为硅氧化物所占比例。
其中,作为核的硅氧化物是硅氧化物或掺杂硅氧化物,用通式表示为SiOxMy(0.1≤x≤1.9,0≤ y≤1)。其中的组分M,可以是Li、Na、Ni、Ca、Mg、Al、Cu、Fe、Zn、Sn等金属元素或N、P、B、S等非金属元素中的一种或几种。其形态可以是晶态,非晶态或者是二者的混合态。
作为中间包覆层惰性材料为碳化钛、氧化铝、氮化铝、硅的碳化物、硅的氮化物、硅的氧化物或者硅的氮氧化物,该材料对锂离子的嵌入脱出不会产生影响,该包覆性惰性材料的含量在整个硅氧化物的复合物中的质量占比为0.5-70wt%,优选的质量占比为3-30wt%,更优选的质量占比为5-15wt%。
作为最外层壳的导电材料为石墨烯、碳纳米管、导电碳黑、导电高分子等导电材料。导电碳材料的含量在整个硅氧化物的复合物中的质量占比为0.5-30wt%,优选的质量占比为1-20wt%,更优选的3-10wt%。
此外,本发明所述的复合材料可以单独作为锂离子电池的负极材料,也可以与其他锂离子电池负极材料一起作为锂离子电池的负极材料。
作为对本发明的限定,本发明用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料的制备方法如下:
1)在硅氧化物表面包覆对锂离子的嵌入脱出不产生影响的惰性材料,惰性材料的包覆可以是通过对硅氧化物的部分氧化、碳化、氮化方式进行,也可以是其他任何能够在硅氧化物表面包覆惰性材料的方法。
2)在惰性材料包覆的硅氧化物表面进行导电材料包覆。导电材料的包覆,可以是与步骤1)同时进行,也可以是分步进行;可以是与步骤1)在同一个反应容器中进行,也可以是在不同反应容器中进行。
本发明相比现有技术,具有如下优点及突出性的技术效果。①本发明采用在充放电过程中具有更低体积变化、结构更加稳定的硅氧化物作为核材料,有助于提高材料的循环性能。并且,本发明也可以通过在硅氧化物里面掺杂金属,能够有效的提高硅氧化物的首次库伦效率;②采用惰性材料在硅氧化物颗粒表面包覆,所形成的核壳结构可以缓解脱、嵌锂过程颗粒的体积变化引起的颗粒破碎粉化;③采用惰性材料在硅氧化物颗粒表面包覆,能够有效抑制硅氧化物与电解质之间的副反应,从而提高材料稳定性;④最外层采用导电材料的包覆有利于增加颗粒间的导电性,降低电池内阻,从而提高电池的循环性能,从而提高硅基负极材料的电化学性能;⑤利用惰性材料和导电材料的协同效应,在保持脱嵌锂过程中颗粒的完整性的同时,提高颗粒的导电性,有助于减少SEI层的生成,减少电解液和锂源的消耗,有利于降低电池成本,使其在电化学行业具有广泛的应用前景。
具体实施方式
本发明提供了一种锂离子二次电池材料以解决现有技术中存在硅基负极材料的比容量低、循环稳定性差的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解,下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述,也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念,以此作为后面的详细说明的序言。
本发明提供的一种锂离子二次电池材料是以含硅氧化物的复合物的形式存在的。在该复合物材料中,硅氧化物作为核,核的表面包覆有对锂离子的嵌入脱出不产生影响的惰性材料。在该复合物材料最外层还包覆有一层导电材料。通常情况下,该复合物的颗粒尺寸为0.01-100μm,优选的是0.01-30μm,更优选的是0.05-15μm。另外,通常情况下,对作为核的硅氧化物的形态也不作特定要求,可以是晶态,也可是非晶态,或者是二者的混合态。
本发明的特征在于含有硅氧化物的复合物包含有对锂离子的嵌入脱出不产生影响的惰性材料。这种对锂离子嵌入脱出不产生影响的惰性材料不是特别受到限制,可以是硅的氧化物、碳化物、氮化物、氮氧化物,也可以是其他金属元素的氮化物、氧化物、碳化物、氮氧化物,例如氧化铝、氮化钛、氮化铝等。
本发明的特征在于含有硅氧化物的复合物中惰性材料的质量占比为0.5-70wt%,优选的质量占比为3-30wt%,更优选的质量占比为5-15wt%。当惰性材料的质量占比小于0.5%,其对防止脱嵌锂过程中体积变化引起的电极材料的破碎粉化不起作用,使得其电化学循环性能降低。若惰性组分的含量高于70%,会使得硅氧化物的占比减小,降低其容量。
对于惰性材料在硅氧化物表面的状态没有特别的限制,惰性材料可以部分或者全部分散在硅氧化物中,也可以是覆盖在硅氧化物表面,可以是完全覆盖,也可以只覆盖一部分。相比而言,惰性材料在硅氧化物表面完全覆盖更能够发挥其作用。
本发明的另一个特征在于含有硅氧化物的复合物的最外层是导电材料的包覆层。其中导电材料的质量占比为0.5-30wt%,优选的质量占比为1-20wt%,更优选的质量占比为3-10wt%。当导电材料的质量占比小于0.5%,其对提高颗粒导电性的提高起不到应有的作用。若导电材料的含量高于70%,会使得硅氧化物的占比减小,降低电池的容量。
本发明的另一个特征在于含有硅氧化物的复合物的最外层的导电材料和惰性材料可以是同一个材料,也可以是不同材料。
接下来描述的是该硅氧化物复合材料的制备。
该硅氧化物复合物中惰性材料的包覆可以通过把部分的硅氧化物转化成对锂离子的嵌入脱出不产生影响的惰性材料,从而形成惰性材料包覆的硅氧化物。也可以通过其他任何能够在硅氧化物表面包覆惰性材料的方法将惰性材料包覆在硅氧化物表面,从而得到惰性材料包覆的硅氧化物。例如,将硅氧化物放置于含碳的环境中,在700-1300℃条件下保持10分钟到10个小时进行部分碳化反应。又例如,先将硅氧化物表面包覆上碳材料之后,然后在700-1300℃条件下保持10分钟到10个小时进行部分碳化反应。类似的,也可以进行部分氧化、部分氮化反应。也可以采用液相的方法进行表面惰性材料的包覆。例如,将硅氧化物分散于溶液中,通过液相包覆上一层惰性材料。又例如,将硅氧化物分散于溶液中,通过液相包覆上一层惰性材料前驱体材料,然后再进行高温反应,实现硅氧化物表面惰性材料的包覆。
对于该硅氧化物复合物表面导电碳材料的包覆的方法没有特别的限制,可以是液相包覆或者固相包覆,也可以是气相包覆。例如,将包覆有惰性材料的硅氧化物放置于含碳的环境中,在500-1300℃温度范围,优选的在700-1200℃温度范围,保持10分钟到10个小时进行化学气相沉积包覆导电碳材料。又例如,将包覆有惰性材料的硅氧化物分散于溶液中,在液相中,包覆上一层导电材料。又例如,将包覆有惰性材料的硅氧化物分散于溶液中,通过液相包覆上一层导电材料前驱体材料,然后再进行高温反应,实现包覆有惰性材料的硅氧化物表面导电材料的包覆。
此外,本发明所描述的惰性材料的包覆和表面导电材料的包覆,可以是同时进行,也可以是分步进行。可以是在同一个反应容器中进行,也可以是在不同反应容器中进行。
下面通过几个具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将30 g硅氧化物(SiOx,x =0.9)粉置于管式固定床反应器内,以氩气和氢气体积比为95:5的混合气体为保护气,以0.5 L/min的流量持续通入混合气,并以15 ℃/min升温速率将反应器温度加热至1100℃。在温度恒定后,以0.2 L/min的流量通入甲烷气体,进行表面部分碳化反应。20 min后,停止通入甲烷气体,得到以SiC作为惰性材料包覆的SiOx材料(SiOx@SiC)。
随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至820℃。在温度恒定后,以0.4 L/min的流量通入丙烯和氩气的混合气进行表面导电碳材料包覆,丙烯和氩气的体积比为1:1。同时,停止通入氩气和氢气的混合气。反应30 min后,重新以0.5 L/min的流量通入氩气和氢气的混合气,并且停止通入丙烯和氩气的混合气。随后,在保护气氛围下,将反应器自然冷却至室温,得到SiOx@SiC@C负极材料。
实施例2
将30 g硅氧化物(SiOx,x=1)粉置于管式固定床反应器内,以氩气和氢气体积比为95:5的混合气体为保护气,以0.5 L/min的流量持续通入混合气,并以15 ℃/min升温速率将反应器温度加热至850℃。在温度恒定后,以0.2 L/min的流量通入乙烯气体,进行表面CVD包覆碳反应。20 min后,停止通入乙烯气体,得到SiOx@C。
随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度升至1100℃,进行表面碳化反应,反应时间20 min,得到以SiC作为惰性材料包覆的SiOx材料(SiOx@SiC)。反应结束后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至850℃。在温度恒定后,以0.2 L/min的流量通入乙烯气体,进行表面CVD包覆碳反应。随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至室温,得到得到SiOx@SiC@C负极材料。
实施例3
将30 g硅氧化物(SiOx,x=1.05)粉置于管式固定床反应器内,以氩气和氢气体积比为95:5的混合气体为保护气,以0.5 L/min的流量持续通入混合气,并以15 ℃/min升温速率将反应器温度加热至1100℃。在温度恒定后,以0.3 L/min的流量通入高纯氮气气体,进行表面部分氮化反应。15 min后,停止通入氮气气体,得到以Si3N4作为惰性材料包覆的SiOx材料(SiOx@Si3N4)。
随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至820℃。在温度恒定后,以0.4 L/min的流量通入丙烯和氩气的混合气进行表面导电碳材料包覆,丙烯和氩气的体积比为1:1。同时,停止通入氩气和氢气的混合气。反应30 min后,重新以0.5 L/min的流量通入氩气和氢气的混合气,并且停止通入丙烯和氩气的混合气。随后,在保护气氛围下,将反应器自然冷却至室温,得到SiOx@Si3N4@C负极材料。
实施例4
常温下,取20 g硅氧化物(SiOx,x=1)分散在装有乙醇/水(乙醇与水的体积比为100:1)溶剂的圆底三口瓶中,超声处理1 h,减少颗粒团聚。随后进行磁力搅拌,使硅氧化物均匀分散于溶剂中。然后,采用逐滴加入100 ml钛酸四丁酯乙醇溶液。滴加结束后,油浴加热到75℃,持续搅拌反应2h。反应结束后,通过离心干燥得到TiO2包覆的SiOx材料(SiOx@TiO2)。
将干燥得到的SiOx@TiO2放置于固定床反应器里,通入0.4 L/min氮气作为保护气,以15 ℃/min的升温速率加热到850℃。待温度稳定后,关闭氮气,通入0.2 L/min的氨气,持续反应5h,得到SiOx@TiN材料。反应结束后,停止通入氨气,切换成氮气(0.2 L/min),在惰性气氛下降温至820℃。待温度稳定后,以0.2 L/min的流量通入丙烯,反应30 min,然后通入惰性气体冷却至室温,得到产物SiOx@TiN@C材料。
实施例5
常温下,取20 g硅氧化物(SiOx,x=1)分散在装有乙醇/水(乙醇与水的体积比为100:1)溶剂的圆底三口瓶中,超声处理1 h,减少颗粒团聚。随后进行磁力搅拌,使硅氧化物均匀分散于溶剂中。然后,采用逐滴加入100 ml钛酸四丁酯乙醇溶液。滴加结束后,油浴加热到75℃,持续搅拌反应2h。反应结束后,通过离心干燥得到TiO2包覆的SiOx材料(SiOx@TiO2)。将干燥得到的SiOx@TiO2放置于固定床反应器里,通入0.4 L/min氮气作为保护气,以15 ℃/min的升温速率加热到850℃。待温度稳定后,关闭氮气,通入0.2 L/min的氨气,持续反应5h,得到SiOx@TiN材料。
将得到的SiOx@TiN加入到沥青四氢呋喃(沥青含量5%),随后机械搅拌分散2h。蒸发去除溶剂后,放置于固定床反应器里。通入氮气0.4 L/min作为保护气,以15 ℃/min的升温速率加热到900℃。恒温2h使沥青碳化。随后,在氮气气氛下冷却至室温,得到产物SiOx@TiN@C材料。
实施例6
将30 g含锂硅氧化物SiOLi0.31粉置于管式固定床反应器内,以氩气和氢气体积比为95:5的混合气体为保护气,以0.5 L/min的流量持续通入混合气,并以15℃/min升温速率将反应器温度加热至1100℃。在温度恒定后,以0.2 L/min的流量通入甲烷气体,进行表面部分碳化反应。20 min后,停止通入甲烷气体,得到以SiC作为惰性材料包覆的SiOLi0.31材料(SiOLi0.31 @SiC)。
随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至820℃。在温度恒定后,以0.4 L/min的流量通入丙烯和氩气的混合气进行表面导电碳材料包覆,丙烯和氩气的体积比为1:1。同时,停止通入氩气和氢气的混合气。反应30 min后,重新以0.5 L/min的流量通入氩气和氢气的混合气,并且停止通入丙烯和氩气的混合气。随后,在保护气氛围下,将反应器自然冷却至室温,得到SiOLi0.31 @SiC@C负极材料。
实施例7
将30g含硼镁硅氧化物SiOB0.02Mg0.18粉置于管式固定床反应器内,以氩气和氢气体积比为95:5的混合气体为保护气,以0.5 L/min的流量持续通入混合气,并以15℃/min升温速率将反应器温度加热至1100℃。在温度恒定后,以0.2 L/min的流量通入甲烷气体,进行表面部分碳化反应。20 min后,停止通入甲烷气体,得到以SiC作为惰性材料包覆的SiOB0.02Mg0.18材料(SiOB0.02Mg0.18 @SiC)。
随后,在持续通入保护气的情况下,将反应器温度降至820℃。在温度恒定后,以0.4 L/min的流量通入丙烯和氩气的混合气进行表面导电碳材料包覆,丙烯和氩气的体积比为1:1。同时,停止通入氩气和氢气的混合气。反应30 min后,重新以0.5 L/min的流量通入氩气和氢气的混合气,并且停止通入丙烯和氩气的混合气。随后,在保护气氛围下,将反应器自然冷却至室温,得到SiO B0.02Mg0.18 @SiC@C负极材料。
对比例1
选用与实施例2、4和5同一批的未经过任何包覆处理的SiOx(x=1)作为电池材料,按照相同的电池配方和测试条件对比相应的电化学性能。
表1 不同硅氧化物材料的电化学性能对比
从以上的电化学性能可知未含有惰性材料包覆层SiOx负极材料的首次库伦效率和循环50圈的容量保持率明显低于含有惰性材料包覆层的硅氧化物。表明采用惰性材料在氧化物颗粒表面均匀包覆,所形成的核壳结构一方面可以进一步缓解脱嵌锂过程颗粒的体积变化引起的颗粒破碎粉化;另一方面导电材料的包覆有利于增加颗粒间的导电性,降低电池内阻,从而提高电池的循环性能。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“ 包括”、“ 包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“ 包括一个······ ”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后需要说明的是:以上所述仅为本发明的较佳实施例,仅用于说明本发明的技术方案,并非用于限定本发明的保护范围。以上所述的实施例中出现的惰性材料和导电材料,仅用于说明惰性材料和导电材料的优选方案,并不是用于限定本发明的材料选择范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于该复合材料具有核-中间惰性材料包覆层-壳三层结构,其中包括作为核的硅氧化物,作为中间包覆层的惰性材料,以及作为最外层壳的导电材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述作为核的硅氧化物是硅氧化物或掺杂硅氧化物,用通式SiOxMy表示,其中0.1≤ x≤1.9,0≤ y≤1;核结构呈晶态、非晶态或二者的混合形态。
3.根据权利要求2所述的一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述作为核的硅氧化物SiOxMy中的组分M是金属元素Li、Na、Ni、Ca、Mg、Al、Cu、Fe、Zn、Sn或非金属元素N、P、B、S中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述复合物材料的粒径大小为0.01-100μm,中间包覆层惰性组分的含量占整个材料质量的0.5-70wt%,最外层壳层导电材料包覆层的质量占复合材料总质量的0.5-30wt%,余下的质量比例为硅氧化物所占比例。
5.根据权利要求4所述的一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述复合物材料的粒径大小为0.01-30μm,中间包覆层惰性组分的含量占整个材料质量的3-30wt%,最外层壳层导电材料包覆层的质量占复合材料总质量的1-20wt%,余下的质量比例为硅氧化物所占比例。
6.根据权利要求5所述的一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述复合物材料的粒径大小为0.05-15μm,中间包覆层惰性组分的含量占整个材料质量的5-15wt%,最外层壳层导电材料包覆层的质量占复合材料总质量的3-10wt%,余下的质量比例为硅氧化物所占比例。
7.根据权利要求1所述一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述中间包覆层的惰性材料是碳化钛、氧化铝、氮化铝、硅的碳化物、硅的氮化物、硅的氧化物或硅的氮氧化物,对锂离子的嵌入脱出不产生影响。
8.根据权利要求1所述一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料,其特征在于:所述作为最外层壳的导电材料是石墨烯、碳纳米管、导电碳黑或导电高分子材料。
9.根据权利要求1所述一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料的制备方法,其特征在于该方法包含以下步骤:
1)在硅氧化物表面进行惰性材料的包覆;
2)在惰性材料包覆的硅氧化物表面进行导电材料包覆。
10.根据权利要求9所述一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤1)中惰性材料的包覆是通过对硅氧化物的部分氧化、碳化、氮化方式进行,或是其他任何能够在硅氧化物表面包覆惰性材料的方法。
11.根据权利要求10一种用于锂离子二次电池的含有惰性涂层包覆的硅氧化物复合材料的制备方法,其特征在于:步骤2)所述的导电材料的包覆,与步骤1)同时进行或分步进行;与步骤1)在同一个反应容器中进行或在不同反应容器中进行。
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