一种高容量锂离子电池负极活性材料、负极片及锂离子电池
阅读说明：本技术 一种高容量锂离子电池负极活性材料、负极片及锂离子电池 (High-capacity lithium ion battery negative electrode active material, negative electrode plate and lithium ion battery ) 是由 王晕 赵东元 杨东 江文锋 郭佳 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高容量锂离子电池负极活性材料、负极片及锂离子电池,该负极活性材料含有硅单质或硅的化合物中的一种或多种的组合,且硅氧化物中含有镁元素,其中,镁含量占材料总重量的5％～40％。通过采用本发明的高比容量的负极材料,可以明显提高氧化亚硅的首次充放电效率,同时改善电池的循环性能。(The invention relates to a high-capacity lithium ion battery cathode active material, a cathode sheet and a lithium ion battery, wherein the cathode active material contains one or more of a silicon simple substance or a silicon compound, and silicon oxide contains magnesium, wherein the magnesium content accounts for 5-40% of the total weight of the material. By adopting the negative electrode material with high specific capacity, the first charge-discharge efficiency of the silicon monoxide can be obviously improved, and the cycle performance of the battery can be improved.)
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，涉及一种高容量锂离子电池负极材料、负极片及锂离子电池。
背景技术
由于锂(Li)具有最低的还原电位和最小的离子半径，在金属离子电池中，锂基可充电电池被认为是实现高质量/体积能量密度和功率密度的最有前景的电池系统。经过近二十年的研究，锂离子充电电池已广泛应用于日常生活中，包括电动工具、笔记本电脑、数码产品、手机、电动汽车、无人机等。近年来，市场的急剧增长要求商业化的锂离子电池朝着更轻、更薄、更便宜的方向发展。然而，目前商用的LIBs已达到其理论极限(～250wh/kg和～680wh/L)。因为石墨基负极较低的理论比容量(～372mAh/g)和体积容量(～735mAh/cm3)限制了商用LIBs能量密度的进一步提高。那么，电池材料的创新，包括正极和负极，主要致力于提高下一代锂基电池的能量密度，并组装更轻和更薄的电池，以满足各种应用的需要。
在高容量负极中，硅负极认为是发展潜力最大的材料，其比容量为4400mAh/g，是目前行业通用的石墨负极比容量的将近10倍。但硅负极在实际应用中产生了很大的问题，就是膨胀过大导致容量衰减过快。因此，研究人员采用了氧化亚硅的方案，比容量为1500mAh/g左右。采用氧化亚硅可以有效减少负极的膨胀问题，循环性能得到改善，然而，氧化亚硅带来另一个问题就是首次充放电效率太低，只有75％左右，甚至更低，这样将导致正极活性材料中的锂离子有将近25％被消耗掉，造成电池的容量损失。
因此，有必要提供一种锂离子电池负极材料及锂离子电池以解决上述的现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种高容量锂离子电池负极活性材料、负极片及锂离子电池。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种高容量锂离子电池负极活性材料，其含有硅单质或硅化合物中的一种或多种的组合，且硅化合物中含有镁元素，其中，镁元素的含量占负极活性材料总重量的5％～40％。
进一步的，负极活性材料的粒度介于1μm与50μm之间。
进一步的，氧在硅化合物中的重量占比小于40％。
进一步的，所述的硅化合物包括氧化亚硅与硅化镁。
进一步的，负极活性材料还可以掺有第二活性物质，其选自天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金、活性锂金属中的一种或多种的组合。
本发明的技术方案之二提供了一种负极片，其包括如上任一所述的负极活性材料。另外，负极片中还可以包括如固体电解质、导电剂、负极载体等制成负极片的必要材料。
进一步的，所述负极活性材料的质量占比为5％～100％(除去负极载体)，可选为93％。
本发明的技术方案之三提供了一种锂离子电池，其包括如上所述的负极片。
进一步的，锂离子电池的正极片中的正极活性物质为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍锰尖晶石中的任意一种或多种的组合。
与现有技术相比，本发明的高比容量的负极材料，可以明显提高氧化亚硅的首次充放电效率，同时改善电池的循环性能。
附图说明
图1为本发明的负极活性材料的SEM图与EDS图；
图2为本发明的负极活性材料的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
实施例1：
MgSi采用Mg2Si和纯SiO进行配料(两者摩尔比为1：1)，SiO纯度为99.99％。
将物料装入到熔炼坩埚后，真空设备启动抽真空，同步启动感应熔炼系统和保温系统电源进行预热，真空度抽至1Pa以下后，将氩气充满设备的真空腔室，然后进行二次抽真空，同样当真空度达到1Pa以下后，停止真空系统，将氩气充满至大气压后加大功率进行熔炼。
熔炼温度在1300-1400℃，使用氩气进行雾化，雾化压力为2.8MPa左右。保温在30分钟以上。
经过氩气雾化后粉体在壁冷真空腔体内冷却两小时以上后，打开积粉桶，将雾化后粉体转移至气氛保护状态下进行筛分处理，使用超声波真空筛分，且筛分过程中进行严格的气氛保护，防止出现安全事故，最后即得到含镁硅负极活性材料。图1和图2为所制得的含镁硅负极活性材料的SEM图、EDS图以及XRD图等。
制作扣式电池，将上述制得的含镁硅负极活性材料进行扣式电池制作：
配比为：含镁硅负极活性材料占总体材料重量的93％，2％的PAALi，5％的碳黑导电剂SP。
负极载体为多孔铜箔。
电解液体系为EC：EMC＝3：7，1M LiPF6，2％VC，2％FEC；
对电极为金属锂片。
对比例1
采用氧化亚硅作为负极活性材料。
配比为：负极活性材料占总材料重量的93％，2％的PAALi，5％的碳黑导电剂SP；
负极载体为多孔铜箔。
电解液体系为EC：EMC＝3：7，1M LiPF6，2％VC，2％FEC。
对电极为金属锂片。
对实施例1与对比例1所制得的扣式电池进行电性能测试，具体如下表1所示。
表1实施例和对比例的电性能对比
从表1可以看出，经过加镁之后的合金化氧化硅负极表现出良好的电性能，其比容量比纯氧化硅有些下降，但也远远高于石墨负极，首次效率得到大幅度的提升，达到了82％；循环性能也得到很好的提升，100次循环之后剩余率为75％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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