CN111342017A - 锂离子电池用多元复合硅氧负极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
锂离子电池用多元复合硅氧负极材料及其制备方法,涉及新材料技术领域,本发明中负极材料包含Si、O、Li、C、La、Zr六种元素,负极材料中包含复数个颗粒单元,每个颗粒单元均为核壳结构,本发明依据锂离子二次电池工作原理,把在组成电池后负极材料无效消耗锂材料的过程提前到在材料制造过程中给与预先完成,从而达到负极材料首次效率高循环寿命长的需求特性,同时减少在制成电池后充放电时无效消耗锂的量;减弱在制成电池后负极材料与液体电解质反应生成固体电解质的反应,减少因反应形成固体电解质膜所要消耗的锂量;结果便可达到提升首次效率和循环寿命的目的等。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域,尤其涉及多元复合硅氧负极材料及其制备方法,具体涉及锂离子电池用多元复合硅氧负极材料及其制备方法。
背景技术
已知的,随着手机、笔记本电脑、平板电脑等便携式电器产品应用的迅速普及,市场对高能量密度可充电电池的需求也随之提高,因此锂离子二次电池的需求量则呈爆发式增长。同时随着近年来电动交通工具,特别是电动汽车的快速发展,又进一步增加了对锂离子二次电池的需求量。在实际应用中,应用端就要求锂离子二次电池必须具备能量密度高、循环寿命长等特点。
锂离子二次电池的能量密度与正极材料和负极材料的储锂能力直接相关。以负极材料为例,负极材料常用的是石墨,其理论能量密度为372mAh/g,目前的开发应用已比较成熟,已难以满足市场应用端的需求。对更高容量负极材料开发的必要性和紧迫性就显得尤为突出。
有研究表明,硅也可以作为负极活性物质,其理论能量密度为4200mAh/g。硅的储锂量大,充放电循环时体积膨胀收缩变化也大,易粉化。硅充放电循环时与电解液会发生反应,导致电解质消耗,电池循环寿命低等。
氧化亚硅也是一种负极活性物质,其理论能量密度达到2000mAh/g,比单质硅的低,相应的充放电循环时体积膨胀收缩变化也减小,与电解液的反应活性液减小,循环寿命有所提高,是一种比较有实用前景的锂离子二次电池负极材料。作为一种负极储锂材料,在电池充放电时,来至正极材料的锂透过表面进入到氧化亚硅内部,只有一部分能够返回正极循环发挥作用,剩余的部分分别消耗在氧化亚硅表面和内部,导致电池首次充放电效率低,是应用必须解决的问题。
经检索发现,中国专利,专利申请号为:97120801.8,公开号为:CN1188335A,申请日为:1997年11月28日,专利名称为:非水电解质二次电池及其制造方法,其通过材料制备阶段先在氧化亚硅中引入锂,形成表达式为LixSiOy(0<x,0<y<2)c的含锂硅氧化物做出了初步的改进。中国专利,专利申请号为:02112180.X,公开号为:CN1402366A,申请日为:2002年06月21日,专利名称为:锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法,其通过在与碳材料复合的方法,实现氧化亚硅等负极活性材料表面包覆一层碳,进一步做出改善。虽然业界改善的努力一直持续,影响该材料实用的问题依然存在,依旧是首次效率低和循环寿命不够长。
因此,如何提供锂离子电池用多元复合硅氧负极材料及其制备方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。
发明内容
为克服背景技术中存在的不足,本发明提供了锂离子电池用多元复合硅氧负极材料及其制备方法,本发明依据锂离子二次电池工作原理,把在组成电池后负极材料无效消耗锂材料的过程提前到在材料制造过程中给予预先完成,从而达到负极材料首次效率高循环寿命长的需求特性等。
为实现如上所述的发明目的,本发明采用如下所述的技术方案:
锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述多元复合硅氧负极材料的组分按重量百分比具体包括如下组分:
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述多元复合硅氧负极材料包含复数个颗粒单元,每个颗粒单元均为核壳结构。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述每个颗粒单元中核芯部分由Si、O、Li和C四个元素组成的晶体与非晶体混合结构物,每个颗粒单元中核壳部分由O、Li、C、La和Zr组成的非晶体结构混合物。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述核壳部分由O、Li、La和Zr元素形成固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质为主体构成的复合体壳。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述Zr元素可以用周期表中的同族元素Ti替代,用Ti元素替代后形成的电解质为LixLayTi2O6,3<x+3y<4,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质LixLayTi2O6,3<x+3y<4为主体构成的复合体壳。
锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述制备方法具体包括如下步骤:
第一步、首先采用表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体,与锂源粉体在非氧化气氛保护下混合均匀,然后将混合物料加热到350~750℃,保温2~24小时处理后冷却至室温,得到基础粉体;
第二步、将上步得到的基础粉体与固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16或LixLayTi2O6,3<x+3y<4材料以固相或液相混合法均匀混合、干燥,然后在非氧化气氛条件下加热到100~600℃,再经1~6小时保温处理,冷却到室温,得到目标粉体;
第三步、将上步得到的目标粉体经过打散、除杂和筛分后即可得到所需的多元复合硅氧负极材料。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体为氧化亚硅与碳共沉积得到的复合粉体或氧化亚硅粉体制成后再经过碳包覆得到的粉体。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体的颗粒度为1~20微米。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述锂源粉体为Li3N或LiH中的任意一种或两种的混合物。
所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16材料是分别含有锂源、镧源、锆源、氧源的各种原料在制造过程反应合成的一种锂离子导体。
采用如上所述的技术方案,本发明具有如下所述的优越性:
本发明中负极材料包含Si、O、Li、C、La、Zr六种元素,负极材料中包含复数个颗粒单元,每个颗粒单元均为核壳结构,本发明依据锂离子二次电池工作原理,把在组成电池后负极材料无效消耗锂材料的过程提前到在材料制造过程中给与预先完成,从而达到负极材料首次效率高循环寿命长的需求特性,本发明通过材料制造时预先在材料内部引入一定量的锂,减少在制成电池后充放电时无效消耗锂的量;通过预先在负极材料颗粒表面形成锂离子固体电解质膜,减弱在制成电池后负极材料与液体电解质反应生成固体电解质的反应,减少因反应形成固体电解质膜所要消耗的锂量;结果便可达到提升首次效率和循环寿命的目的等,适合大范围的推广和应用。
具体实施方式
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明,本发明并不局限于下面的实施例;
本发明所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,所述多元复合硅氧负极材料的组分按重量百分比具体包括如下组分:
其中所述多元复合硅氧负极材料包含复数个颗粒单元,每个颗粒单元均为核壳结构。所述每个颗粒单元中核芯部分由Si、O、Li和C四个元素组成的晶体与非晶体混合结构物,每个颗粒单元中核壳部分由O、Li、C、La和Zr组成的非晶体结构混合物。
进一步,所述核壳部分由O、Li、La和Zr元素形成固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质为主体构成的复合体壳。
具体实施时,所述Zr元素可以用周期表中的同族元素Ti替代,用Ti元素替代后形成的电解质为LixLayTi2O6,3<x+3y<4,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质LixLayTi2O6,3<x+3y<4为主体构成的复合体壳。
锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,所述制备方法具体包括如下步骤:
第一步、首先采用表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体,与锂源粉体在非氧化气氛保护下混合均匀,然后将混合物料加热到350~750℃,保温2~24小时处理后冷却至室温,得到基础粉体;所述表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体为氧化亚硅与碳共沉积得到的复合粉体或氧化亚硅粉体制成后再经过碳包覆得到的粉体;其中包覆碳的碳源可以是蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、沥青、糠醇树脂、酚醛树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、甲烷、丙烷、乙炔中的任意一种或两种及两种以上的组合,方法也不限定于必须是气相法、液相法或是固相法;表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体的颗粒度为1~20微米,优选为1~10微米,更进一步优选为3~8微米;所述锂源粉体为Li3N或LiH中的任意一种或两种的混合物;
第二步、将上步得到的基础粉体与固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16或LixLayTi2O6,3<x+3y<4材料以固相或液相混合法均匀混合、干燥,然后在非氧化气氛条件下加热到100~600℃,再经1~6小时保温处理,冷却到室温,得到目标粉体;所述固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16材料是分别含有锂源、镧源、锆源、氧源的各种原料在制造过程反应合成的一种锂离子导体;
第三步、将上步得到的目标粉体经过打散、除杂和筛分后即可得到所需的多元复合硅氧负极材料。
本发明在实施时,所述的锂源为甲酸锂、乙酸锂、丙酸锂、柠檬酸锂、碳酸锂、氢氧化锂中的任意一种或两种及两种以上的组合。
进一步,所述的镧源为甲酸镧、乙酸镧、丙酸镧、柠檬酸镧、碳酸镧、氢氧化镧中的任意一种或两种及两种以上的组合。
进一步,所述的锆源为酸锆、乙酸锆、丙酸锆、柠檬酸锆、碳酸锆、氢氧化锆、锆酸甲脂、锆酸乙酯、锆酸丙脂、锆酸丁酯中的任意一种或两种及两种以上的组合。
进一步,所述的钛源为纳米二氧化钛、偏钛酸、钛酸甲脂、钛酸乙脂、钛酸丙脂、钛酸丁脂中的任意一种或两种及两种以上的组合。
进一步,所述的氧源已经包括在锂源、源镧、锆源之中。
进一步,所述的固相混合是指包括融合、混碾、机械混合、高速机械混合、球磨方式中的任意一种或两种及两种以上的组合方法。
进一步,所述的液相混合是指分别将所述原料加入到液态溶剂中进行分散、混合、反应的一种方法。所述的液态溶剂是指有机溶剂乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯、丙酮、甲苯中的任意一种或两种及两种以上的组合。
本发明具有充放电效率高循环寿命长的特性,设备简单,易于商业化生产的特点。
本发明的具体实施例如下:
本发明采用ICP-AES作为材料成分的分析手段,采用高频感应碳硫分析仪作为碳含量的分析手段。对实施例和比较例得到的材料,制作纽扣型二次电池对材料的使用性能进行评价。
首先准备具备碳包覆层的氧化亚硅粉体。取市售的氧化亚硅粉,其硅氧原子摩尔比1:1,粒度D50为6微米,以高温石油沥青粉作为碳包覆剂,将两种粉体按照适当比例采用高混机机械混合后,投入到真空加热炉中加热到800度保温2小时,冷却到室温后经过打散筛分备用。采用这种方法分别获得含碳量为2.5%,5.2%,7.6%的三种基础粉体。
实施例1
取含碳量为2.5%的基础粉体100g,Li3N粉10g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中500度热处理12h,自然冷却到室温。将氢氧化锂0.2g,氢氧化镧0.7g,乙酸锆0.9g加入到100g上述粉体中,经过高速分散均匀融合均匀;然后置于氩气气氛中600度热处理1h,自然冷却到室温,经过打散筛分得到成品。
实施例2
取含碳量为5.2%的基础粉体100g,LiH粉10g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中600度热处理6h,自然冷却到室温。将柠檬酸锂1g,柠檬酸镧3g,氢氧化锆1g加入到100g上述粉体中,经过高速分散均匀融合均匀;然后置于氩气气氛中550度热处理2h,自然冷却到室温,经过打散筛分得到成品。
实施例3
取含碳量为7.6%的基础粉体100g,Li3N粉20g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中400度热处理24h,自然冷却到室温。将乙酸锂1g,乙酸镧4.5g,氢氧化锆2g加入到100g上述粉体中,经过高速分散均匀融合均匀;然后置于氩气气氛中550度热处理6h,自然冷却到室温,经过打散筛分得到成品。
实施例4
取含碳量为2.5%的基础粉体100g,LiH粉5g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中500度热处理12h,自然冷却到室温。取有机溶剂乙酸乙酯100g加入到搅拌分散机中,然后再分别加入上述基础粉体100g,乙酸锂1g,乙酸镧3.5g,锆酸丁脂3g,分散搅拌均匀,加热到100度蒸发干燥去除溶剂,然后300度保温6h热处理,
实施例5
取含碳量为5.2%的基础粉体100g,Li3N粉13g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中600度热处理6h,自然冷却到室温。取有机溶剂异丙醇100g加入到搅拌分散机中,然后再分别加入上述基础粉体100g,氢氧化锂0.2g,柠檬酸镧2.4g,锆酸丁脂2g,分散搅拌均匀,加热到100度蒸发干燥去除溶剂,然后400度保温4h热处理,冷却后得到所需成品。
实施例6
取含碳量为7.6%的基础粉体100g,Li3N粉20g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中400度热处理24h,自然冷却到室温。取有机溶剂乙醇100g加入到搅拌分散机中,然后再分别加入上述基础粉体100g,柠檬酸锂1g,乙酸镧4g,乙酸锆3g,分散搅拌均匀,加热到100度蒸发干燥去除溶剂,然后500度保温6h热处理,冷却后得到所需成品。
比较例1
取经过碳包覆含碳量为5.2%的基础粉直接作为成品。
比较例2
取含碳量为5.2%的基础粉体100g,Li3N粉13g,在氩气保护箱内混合均匀;然后置于氩气气氛中600度热处理6h,自然冷却到室温,经过打散筛分得到成品。
对实施例和比较例的成品取样进行成分分析,结果如下表所示:
分别将实施例和对比例制备的锂离子电池负极材料作为活性材料,用于制作以金属锂片作为对电极的扣式电池。浆料配比采用活性物质:导电剂:粘结剂=75:15:10的比例,导电剂为导电炭黑SP、导电石墨KS-6/SFG-6,粘结剂为CMC+SBR。采用LiPF6/DEC+DMC+EC+FEC电解液,PE/PP隔膜。电池制作在氩气保护手套箱内完成,充放电测试采用0.005V~1.5V电压0.1C充放电速率,测试结果如下表所示:
通过实施例和对比例的电池测试结果可以看出,采用本发明负极活性材料以后,电池的有效容量、首次效率和循环性能都有明显改善。
本发明可以用于固态电解质电池,凝胶电解质电池,液态电解质电池。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例,当前认为是适宜的,但是,应了解的是,本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,其特征是:所述多元复合硅氧负极材料包含复数个颗粒单元,每个颗粒单元均为核壳结构。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,其特征是:所述每个颗粒单元中核芯部分由Si、O、Li和C四个元素组成的晶体与非晶体混合结构物,每个颗粒单元中核壳部分由O、Li、C、La和Zr组成的非晶体结构混合物。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,其特征是:所述核壳部分由O、Li、La和Zr元素形成固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质为主体构成的复合体壳。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料,其特征是:所述Zr元素可以用周期表中的同族元素Ti替代,用Ti元素替代后形成的电解质为LixLayTi2O6,3<x+3y<4,然后由电子导电的C与离子导电的固体电解质LixLayTi2O6,3<x+3y<4为主体构成的复合体壳。
6.根据权利要求1~5任一权利要求所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,其特征是:所述制备方法具体包括如下步骤:
第一步、首先采用表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体,与锂源粉体在非氧化气氛保护下混合均匀,然后将混合物料加热到350~750℃,保温2~24小时处理后冷却至室温,得到基础粉体;
第二步、将上步得到的基础粉体与固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16或LixLayTi2O6,3<x+3y<4材料以固相或液相混合法均匀混合、干燥,然后在非氧化气氛条件下加热到100~600℃,再经1~6小时保温处理,冷却到室温,得到目标粉体;
第三步、将上步得到的目标粉体经过打散、除杂和筛分后即可得到所需的多元复合硅氧负极材料。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,其特征是:所述表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体为氧化亚硅与碳共沉积得到的复合粉体或氧化亚硅粉体制成后再经过碳包覆得到的粉体。
8.根据权利要求6所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,其特征是:所述表面具有碳包覆层的氧化亚硅粉体的颗粒度为1~20微米。
9.根据权利要求6所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,其特征是:所述锂源粉体为Li3N或LiH中的任意一种或两种的混合物。
10.根据权利要求6所述的锂离子电池用多元复合硅氧负极材料的制备方法,其特征是:所述固体电解质LixLayZr2O12,9<x+3y<16材料是分别含有锂源、镧源、锆源、氧源的各种原料在制造过程反应合成的一种锂离子导体。
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PB01 | Publication | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200626 |
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