CN114335533A - 一种负极材料及包括该负极材料的电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负极材料及包括该负极材料的电池。所述负极材料包括多孔碳纳米笼、硅材料和碳材料，记为多孔碳纳米笼@硅@碳；本发明中，利用金属有机框架材料制备的多孔碳纳米笼可以作为硅材料在充放电过程中体积变化的内部缓冲基底，外层致密的碳沉积层进一步避免了硅材料直接与电解液接触造成的SEI膜反复生长等问题，在外层限制与内部柔性多孔碳纳米笼结构共同缓冲作用下实现了硅材料在充放电过程中体积变化的控制，由其制备得到的电池可以实现优异的循环性能和库伦效率。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种负极材料及包括该负极材料的电池。
背景技术
新一代的锂离子电池需要高能量密度的负极材料来支持，硅负极材料的理论克容量是传统石墨材料的10倍以上，其具有高嵌锂能力的同时却存在体积膨胀严重、电池循环性能差的缺点。
碳包覆硅的方式是目前缓解硅体积膨胀的常用策略，碳包覆层可以在实现传导锂离子的同时减小硅的体积变化，同时有助于提高负极结构的导电性能。但单一的包覆方式仍无法很好的解决充放电过程中硅体积膨胀带来的不利影响。
发明内容
为了改善现有的硅材料在充放电过程中体积变化大导致的负极集流体与负极活性物质的分离、SEI膜反复破裂-生长等问题，本发明提供了一种负极材料及包括该负极材料的电池。所述负极材料具有柔性多孔碳@硅@致密碳的多层结构，通过内部柔性多孔碳和外层致密碳的共同作用，实现了对负极材料在充放电过程中体积变化的有效控制，从而使得制备得到的电池具有优异的循环性能和库伦效率。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种负极材料，所述负极材料包括多孔碳纳米笼、硅材料和碳材料；
所述负极材料具有核壳结构，包括第一包覆层和第一核芯；
所述第一包覆层中包括所述碳材料；
第一核芯具有核壳结构，包括第二包覆层和第二核芯；
所述第二包覆层中包括所述硅材料，所述第二核芯中包括多孔碳纳米笼。
在本发明的一个具体方案中，所述负极材料呈颗粒状且具有核壳结构。
在本发明的一个具体方案中，所述负极材料记为多孔碳纳米笼@硅@碳。
在本发明的一个具体方案中，第二包覆层由所述硅材料沉积在多孔碳纳米笼的孔内部和表面而形成，也称硅包覆层。所述第二包覆层可以是完全包覆，也可以是部分包覆。
在本发明的一个具体方案中，第一包覆层由所述碳材料包覆在第一核芯表面而形成，也称碳包覆层。所述第一包覆层可以是完全包覆，也可以是部分包覆。
在本发明的一个具体方案中，所述第一包覆层的厚度为200nm～400nm，优选为250nm～350nm，例如为200nm、220nm、240nm、250nm、280nm、300nm、320nm、350nm、380nm或400nm。
在本发明的一个具体方案中，所述第二包覆层的厚度为30nm～100nm，优选为40nm～70nm，例如为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
在本发明的一个具体方案中，所述第一核芯的中值粒径Dv50为0.6μm～6μm，例如0.6μm、1μm、1.8μm、2μm、3μm、4μm、5μm或6μm。
在本发明的一个具体方案中，所述第二核芯的中值粒径Dv50为0.5μm～6μm，例如为0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm、2μm、3μm、4μm、5μm或6μm。
在本发明的一个具体方案中，所述负极材料的中值粒径Dv50为1μm～6.5μm，优选2μm～4μm，例如为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm或6.5μm。
本发明中，Dv50由激光粒度法测定，代表的含义是50％的颗粒尺寸在所测得的尺寸值。具体的，Dv50：颗粒累积分布为50％的粒径，即小于此粒径的颗粒体积含量占全部颗粒的50％。也叫中位径或中值粒径，这是一个表示粒度大小的典型值，该值准确地将总体划分为二等份，也就是说有50％的颗粒的粒径超过此值，有50％的颗粒的粒径低于此值。如果一个样品的Dv50＝5μm，说明在组成该样品的所有粒径的颗粒中，大于5μm的颗粒占50％，小于5μm的颗粒也占50％。
在本发明的一个具体方案中，所述多孔碳纳米笼的粒径为500nm～1000nm，最可几孔径为40nm～80nm，比表面积为80～160m2/g。
本发明中，在孔径微分分布曲线上，一般存在一个峰值，这个峰值对应的孔径称为最可几孔径。最可几孔径的物理含义是孔容积随孔径的变化率最大的孔径，可以认为，最可几孔径代表了所述多孔碳纳米笼中最发达的孔径范围。
在本发明的一个具体方案中，所述硅材料的质量占所述负极材料总质量的5～30wt％，优选6～10wt％，例如为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明的一个具体方案中，所述碳材料的质量占所述负极材料总质量的10～60wt％，优选15～30wt％，例如为10wt％、11wt％、12wt％、15wt％、17wt％、19wt％、20wt％、25wt％、30wt％、32wt％、35wt％、40wt％、42wt％、45wt％、48wt％、50wt％、55wt％或60wt％。
在本发明的一个具体方案中，所述多孔碳纳米笼是通过如下方法制备得到的：
(a)将活性相金属盐和有机配体加入溶剂中，得到金属有机骨架材料前驱体溶液；
(b)将所述金属有机骨架材料前驱体溶液进行处理，制备得到金属有机骨架材料；
(c)将金属有机骨架材料在惰性气氛下进行煅烧，制备得到所述多孔碳纳米笼。
其中，步骤(a)中，所述活性相金属盐与所述有机配体的摩尔比为(1-3):(5-30)，例如可为1:8。
其中，步骤(a)中，所述溶剂选自水、甲醇、甲胺、二甲胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、甲酰胺、乙醇、乙二醇、乙胺、丙醇、丙酮、丁醇中的一种或多种。
其中，步骤(a)中，所述活性相金属盐选自如下化合物中的至少一种：硝酸锌或其水合物(例如六水合硝酸锌)、氯化锌、硫酸锌、硝酸铁或其水合物(例如九水合硝酸铁)、氯化铁或其水合物(例如六水合氯化铁)、氯化亚铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁、乙酰丙酮铁(III)、硝酸钴或其水合物(例如六水合硝酸钴)、氯化钴、甲酸钴、乙酸钴或其水合物(例如四水合乙酸钴)、乙酰丙酮钴、三(乙二胺)氯化钴(III)三水合物。
其中，步骤(a)中，所述有机配体选自1,3,5-苯三甲酸、对苯二甲酸、二甲基咪唑、氨基-对苯二甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸中的至少一种。
其中，步骤(b)中，所述处理例如是室温搅拌、或水浴加热搅拌、或水热加热、或溶剂热加热中的至少一种。
具体的，室温搅拌的转速为500～1000rpm，室温搅拌的时间为3h～72h。水浴加热搅拌的温度为60～90℃，水浴加热搅拌的时间为1h～48h，水浴加热搅拌的转速为200～600rpm。水热加热和溶剂加热的温度为120～180℃，水热加热和溶剂加热的时间为5h～72h。
具体的，溶剂热加热的溶剂选自甲醇、甲胺、二甲胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、甲酰胺、乙醇、乙二醇、乙胺、丙醇、丙酮、丁醇中的一种或多种。
其中，步骤(c)中，所述惰性气氛为选自氮气、氦气、氩气、氙气和氡气中的至少一种。
其中，步骤(c)中，所述煅烧是在1000～1300℃下煅烧3小时～5小时，升温速度为1～5℃/min，例如是2℃/min的速率升温至1000℃后煅烧3小时。
在本发明的一个具体方案中，所述硅材料是由硅源气体形成的，所述硅源气体选自SiH4、Si2H6中的至少一种。
在本发明的一个具体方案中，所述碳材料是由碳源气体形成的，所述碳源气体选自一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯中的至少一种；所述碳为无定型炭。
本发明还提供上述负极材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)向多孔碳纳米笼通入硅源气体和保护气体，采用化学沉积的方法，制备得到硅材料包覆的多孔碳纳米笼；
(2)向硅材料包覆的多孔碳纳米笼通入碳源气体和保护气体，采用化学沉积的方法，制备得到碳材料包覆的硅材料包覆的多孔碳纳米笼，即所述负极材料。
其中，步骤(1)中，所述硅源气体选自SiH4、Si2H6中的至少一种。
其中，步骤(1)中，所述保护气体氩气、氦气、或者氢气和氦气的混合气体中的至少一种。
其中，步骤(1)中，所述硅源气体和保护气体的体积比为1:20～50；例如为1:30～40。
其中，步骤(1)中，所述化学气相沉积的温度为400～600℃，所述化学气相沉积的时间为20min～2h。
其中，步骤(1)中，所述化学气相沉积结束后等到炉内温度降到室温，将料取出进行研磨粉碎，过筛，制备得到硅材料包覆的多孔碳纳米笼。
其中，步骤(2)中，所述碳源气体选自一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯中的至少一种。
其中，步骤(2)中，所述保护气体氩气、氦气、或者氢气和氦气的混合气体中的至少一种。
其中，步骤(2)中，所述碳源气体和保护气体的体积比为1:(5～30)；例如为1:(8～15)。
其中，步骤(2)中，所述化学气相沉积的温度为600～800℃，所述化学气相沉积的时间为0.5h～5h。
其中，步骤(2)中，所述化学气相沉积结束后等到炉内温度降到室温，将料取出进行研磨粉碎，过筛，制备得到所述负极材料。
本发明还提供了一种负极片，所述负极片包括上述的负极材料。
根据本发明的实施方式，所述负极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体至少一侧表面的负极活性物质层，其中，所述负极活性物质层包括上述的负极材料。
根据本发明的实施方式，所述负极活性物质层还包括导电剂。在一些实施例中，所述导电剂选自导电炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维、石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述负极活性物质层还包括粘结剂。在一些实施例中，所述粘结剂选自羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、环氧树脂、丁二烯类橡胶粘结剂、丙烯腈类粘结剂的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述负极集流体选自铜箔、涂炭铜箔、打孔铜箔中的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述负极活性物质层中各组分的质量百分含量为：
91～97.5wt％的负极材料、0.5～4wt％的导电剂、2～5wt％的粘结剂。
根据本发明的实施方式，所述负极片可以通过如下方法获得：
在去离子水中，将上述负极材料、导电剂和粘结剂混合，得到负极浆料(粘度为3000～6000mPa.s，固含量为35～40wt％)，将该负极浆料涂覆在负极集流体上，梯度(50-60-70-85℃)升温，每个温度保持5min，风机换气频率为20～50Hz，待烘干后切片，然后转移到95℃真空烘箱中继续干燥12h，最后进行辊压、分切，得到负极片。
本发明还提供了一种电池，其包括上述的负极片。
根据本发明的实施方式，所述电池为锂离子电池。
根据本发明的实施方式，所述电池还包括正极片。
根据本发明的实施方式，所述正极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体至少一种表面的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括正极材料。
在一些实施例中，所述正极集流体选自铝箔、涂炭铝箔、打孔铝箔中的一种或几种。
在一些实施例中，所述正极材料选自磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸钒锂、硅酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元材料、镍锰/钴锰/镍钴二元材料、锰酸锂和富锂锰基材料中的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述电池还包括隔膜。在一些实施例中，所述隔膜选自聚乙烯或聚丙烯中的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述电池还包括电解液。在一些实施例中，所述电解液为非水电解液，所述非水电解液包括非水有机溶剂和锂盐。在一些实施例中，所述非水有机溶剂选自碳酸亚乙酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯、γ-丁内酯、碳酸甲丙酯、丙酸乙酯中的一种或几种。在一些实施例中，所述锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiAlO4、LiAlCl4、Li(CF3SO2)2N、LiBOB和LiDFOB中的一种或几种。
根据本发明的实施方式，所述电池还包括铝塑膜。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种负极材料及包括该负极材料的电池。所述负极材料包括多孔碳纳米笼、硅材料和碳材料，可记为多孔碳纳米笼@硅@碳。本发明中，利用金属有机框架材料制备的多孔碳纳米笼可以作为硅材料在充放电过程中体积变化的内部缓冲基底，外层致密的碳沉积层进一步避免了硅材料直接与电解液接触造成的SEI膜反复生长等问题，在外层限制与内部柔性多孔碳纳米笼结构共同缓冲作用下实现了硅材料在充放电过程中体积变化的控制，由其制备得到的电池可以实现优异的循环性能和库伦效率。
附图说明
图1为本发明的负极材料合成示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。
实施例1
将质量比为1:3的硝酸锌和二甲基咪唑溶于水中，制备得到金属有机框架材料前驱体溶液，室温搅拌处理8小时，抽滤干燥，得到白色的粉末状样品ZIF-8。在氩气气氛下，将ZIF-8材料以2℃/min的升温速率在1000℃下煅烧3小时，制备得到具有笼状骨架结构的碳材料，即多孔碳纳米笼。
将制得的多孔碳纳米笼置于SiH4:Ar＝1:30(体积比)的气氛中，500℃下沉积50min，制备得到硅沉积的多孔碳纳米笼，记为多孔碳纳米笼@硅。
将制得的多孔碳纳米笼@硅置于C2H2:Ar＝1:10(体积比)的气氛中，700℃下沉积50min，制备得到碳沉积的多孔碳纳米笼@硅，即所述负极材料，记为多孔碳纳米笼@硅@碳。
实施例2～3
其他操作同实施例1，区别在于碳材料的沉积时间不同，具体制备参数如表1所示。
表1实施例1～3的负极材料的制备参数和表征参数
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 气相沉积硅的时间/min | 50 | 50 | 50 |
| 气相沉积碳的时间/min | 50 | 100 | 150 |
| 第二包覆层的厚度/nm | 43 | 43 | 43 |
| 第一包覆层的厚度/nm | 218 | 249 | 277 |
| 负极材料的中值粒径Dv<sub>50</sub>/μm | 3.503 | 3.534 | 3.562 |
| 硅材料的质量占比 | 10.1wt％ | 8.3wt％ | 5.1wt％ |
测试例1
将上述实施例1制备的多孔碳纳米笼和多孔碳纳米笼@硅，实施例1～3制备的多孔碳纳米笼@硅@碳作为负极材料组装成电池，具体的制作方法如下：
(1)将上述制备的负极材料、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、Super P、单壁碳纳米管按照质量比92:2:5:0.95:0.05进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料。将负极浆料均匀涂覆在厚度为8μm的铜箔上，所述负极浆料涂覆在负极集流体表面的面密度为7.0mg/cm2。将铜箔转移至80℃烘箱干燥12h，然后经过辊压、分切，得到负极片。
(2)将钴酸锂(LCO)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙炔黑和碳纳米管(CNTs)按照质量比96:2:1.5:0.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮，在真空搅拌机作用下搅拌，直至混合成均匀的正极浆料。将正极浆料均匀涂覆于厚度为12μm的铝箔上，所述正极浆料涂覆在正极集流体表面的面密度为12.0mg/cm2。将上述涂覆好的铝箔在烘箱中烘烤，之后转入120℃的烘箱中干燥8h，然后经过辊压、分切，得到所需的正极极片。所述正极片尺寸小于负极片，正极片的单位面积的可逆容量比负极片低4％。
(3)正极片和负极片分别完成金属极耳的焊接。
(4)选用8μm厚的聚乙烯隔膜。
(5)将上述准备好的正极片、隔膜、负极片按顺序叠放好，保证隔膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后通过卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于厚度为0.086mm的铝塑膜壳体中，经过封装、注入电解液，二次封装、静置、化成、整形、分选等工序，获得所需的锂离子电池。
(6)使用蓝电(LAND)测试系统对锂离子电池的性能进行测试，测试温度为25℃，具体地：
以0.7C恒流充电至3.85V，恒压充电至0.01C，解剖此时的电池，测量并计算负极涂层的厚度，以此为负极的初始涂层厚度。以3C恒流充电至4.45V，恒压充电到0.05C，静置10min，1C放电至3.0V，静置10min，以此充放电步骤作循环，以前三周放电容量最高值为电池初始容量，以100周后的容量与初始容量的比值为电池的容量保持率。解剖循环20周且SOC为50％的电池，测量并计算负极的循环涂层厚度，以此厚度与初始涂层厚度的差值除以初始涂层厚度为负极涂层的膨胀率，测试结果如表2和表3所示。
测试例2
将上述实施例1制备的多孔碳纳米笼和多孔碳纳米笼@硅，实施例1～3制备的多孔碳纳米笼@硅@碳作为负极材料组装成扣式半电池测试，具体的制作方法如下：
(1)将上述制备的负极材料、Super P、单壁碳纳米管、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶按照质量比92:0.95:0.05:2:5进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下混合均匀，获得负极浆料；
(2)将步骤(1)中的负极浆料涂覆在铜箔上，在80℃烘箱中烘干，随后转移到100℃真空烘箱中干燥12h，得到面密度为约6.0mg/cm2的负极片；
(3)在干燥环境下，将步骤(2)中的负极片以约1.3g/cm3的压实进行辊压，随后用冲片机制成直径为16mm的负极圆片；
(4)在手套箱中，以步骤(3)中的负极圆片为工作电极，以直径为18mm的金属锂片作为对电极，以厚度为8μm的聚乙烯隔膜为隔离膜，加入电解液，组装成扣式半电池；
(5)使用蓝电(LAND)测试系统对扣式半电池的性能进行测试，测试温度为25℃，具体地：
以0.05C的电流嵌锂至0.005V，静置10min，以0.05mA的电流嵌锂至0.005V，静置10min，再以0.1C的电流脱锂至1.5V，得到首次嵌脱锂容量，以首次脱锂容量除以上述负极圆片中负极材料的质量即得到负极材料的克容量，以首次脱锂容量除以首次嵌锂容量即得到负极材料的首次效率，测试结果如表2和表3所示。
表2实施例1制备的多孔碳纳米笼和多孔碳纳米笼@硅的性能测试结果
| 多孔碳纳米笼 | 多孔碳纳米笼@硅 | |
| 首次效率 | 81.3％ | 70.5％ |
| 克容量/mAh/g | 383 | 896 |
| 膨胀率 | 10％ | 23％ |
| 容量保持率 | 100T/93％ | 100T/60％ |
表3实施例1～3制备的负极材料的性能测试结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 首次效率 | 78.1％ | 83.2％ | 84.8％ |
| 克容量/mAh/g | 722 | 653 | 587 |
| 膨胀率 | 16％ | 13％ | 12％ |
| 容量保持率 | 100T/93.3％ | 100T/93.7％ | 100T/94.8％ |
从表2～表3的对比例数据可以看出，多孔碳纳米笼进行硅沉积增大了克容量，但其首效下降了约10％，膨胀率提高了13％，容量保持率衰减至60％。多孔碳纳米笼@硅@碳材料的首效与多孔碳纳米笼和孔碳纳米笼@硅对比均有所提高，克容量和膨胀率结果比较理想。
进一步地，第一包覆层(碳材料层)的厚度越大，负极材料首效越佳，涂层半电状态的膨胀率越小，容量保持率越高，但克容量越小。所有实施例数据的克容量对比单一多孔碳纳米笼有明显优势，涂层半电的膨胀率和容量保持率对比孔碳纳米笼@硅材料有明显改善，证明以多孔碳纳米笼@硅@碳负极材料制备的电池具有优异的循环性能和容量保持率。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料包括多孔碳纳米笼、硅材料和碳材料；
所述负极材料具有核壳结构，包括第一包覆层和第一核芯；
所述第一包覆层中包括所述碳材料；
第一核芯具有核壳结构，包括第二包覆层和第二核芯；
所述第二包覆层中包括所述硅材料，所述第二核芯中包括多孔碳纳米笼。
2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述第一包覆层的厚度为200nm～400nm；和/或，所述第二包覆层的厚度为30nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述第一核芯的中值粒径Dv50为0.6μm～6μm；和/或，所述第二核芯的中值粒径Dv50为0.5μm～6μm。
4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料的中值粒径Dv50为1μm～6.5μm。
5.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述多孔碳纳米笼的粒径为500nm～1000nm，最可几孔径为40nm～80nm，比表面积为80～160m2/g。
6.根据权利要求1-5任一项所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料的质量占所述负极材料总质量的5～30wt％；和/或，
所述碳材料的质量占所述负极材料总质量的10～60wt％。
7.根据权利要求1-5任一项所述的负极材料，其特征在于，所述硅材料是由硅源气体形成的，所述硅源气体选自SiH4、Si2H6中的至少一种；和/或，
所述碳材料是由碳源气体形成的，所述碳源气体选自一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯中的至少一种。
8.一种负极片，其特征在于，所述负极片包括权利要求1-7任一项所述的负极材料。
9.根据权利要求8所述的负极片，其特征在于，所述负极片包括集流体和涂覆在集流体至少一侧表面的活性物质层，其中，所述活性物质层包括权利要求1-7任一项所述的负极材料。
10.一种电池，其特征在于，包括权利要求8或9所述的负极片。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115020670A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-06 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种MOFs修饰的硅基负极材料及其制备方法 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102214817A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 清华大学 | 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法 |
| CN108023084A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-11 | 广东工业大学 | 一种硅碳负极材料制备方法及锂离子电池 |
| CN108172785A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-15 | 东莞东阳光科研发有限公司 | 一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用 |
| CN108565408A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-09-21 | 电子科技大学 | 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 |
| US20180337400A1 (en) * | 2015-06-15 | 2018-11-22 | Unist(Ulsan National Institute Of Science And Technology) | Anode active material for lithium secondary battery, preparation method therefor, and lithium secondary battery containing same |
| CN109244377A (zh) * | 2017-07-10 | 2019-01-18 | 力信（江苏）能源科技有限责任公司 | 一种锂离子电池负极硅碳复合材料的制备方法 |
| CN109742355A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 广西卡耐新能源有限公司 | 一种硅碳复合材料制备方法 |
| CN109802120A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-05-24 | 广东凯金新能源科技股份有限公司 | 一种硅碳复合材料及其制法 |
| CN110582823A (zh) * | 2017-03-09 | 2019-12-17 | 14集团技术公司 | 含硅前体在多孔支架材料上的分解 |
| CN111186841A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 宁夏大学 | 空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法 |
| CN111900353A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-06 | 北京金博威科技有限公司 | 复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池 |
| CN112349899A (zh) * | 2019-09-26 | 2021-02-09 | 贝特瑞新材料集团股份有限公司 | 一种硅基复合负极材料及其制备方法和锂离子电池 |
| CN112635733A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 江苏集芯半导体硅材料研究院有限公司 | 锂离子电池的负极材料及其制备的方法和锂离子电池 |
-
2021
- 2021-12-16 CN CN202111544685.2A patent/CN114335533A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102214817A (zh) * | 2010-04-09 | 2011-10-12 | 清华大学 | 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法 |
| US20180337400A1 (en) * | 2015-06-15 | 2018-11-22 | Unist(Ulsan National Institute Of Science And Technology) | Anode active material for lithium secondary battery, preparation method therefor, and lithium secondary battery containing same |
| CN110582823A (zh) * | 2017-03-09 | 2019-12-17 | 14集团技术公司 | 含硅前体在多孔支架材料上的分解 |
| CN109244377A (zh) * | 2017-07-10 | 2019-01-18 | 力信（江苏）能源科技有限责任公司 | 一种锂离子电池负极硅碳复合材料的制备方法 |
| CN108023084A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-11 | 广东工业大学 | 一种硅碳负极材料制备方法及锂离子电池 |
| CN108172785A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-15 | 东莞东阳光科研发有限公司 | 一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用 |
| CN108565408A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-09-21 | 电子科技大学 | 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 |
| CN109742355A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 广西卡耐新能源有限公司 | 一种硅碳复合材料制备方法 |
| CN109802120A (zh) * | 2019-01-24 | 2019-05-24 | 广东凯金新能源科技股份有限公司 | 一种硅碳复合材料及其制法 |
| CN112349899A (zh) * | 2019-09-26 | 2021-02-09 | 贝特瑞新材料集团股份有限公司 | 一种硅基复合负极材料及其制备方法和锂离子电池 |
| CN111186841A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 宁夏大学 | 空心二氧化硅包覆多面体碳复合材料的制备方法 |
| CN111900353A (zh) * | 2020-07-30 | 2020-11-06 | 北京金博威科技有限公司 | 复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池 |
| CN112635733A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-09 | 江苏集芯半导体硅材料研究院有限公司 | 锂离子电池的负极材料及其制备的方法和锂离子电池 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115020670A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-09-06 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种MOFs修饰的硅基负极材料及其制备方法 |
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