包含高含量硅的硅基负极材料及包含其的二次电池的制作方法

本发明涉及一种包含高含量硅的硅基负极材料及包含其的二次电池。

背景技术：

1、二次电池性能的提升取决于正极材料、负极材料、电解液的组成成分。

2、所述组成成分中主要用作负极材料的石墨基材料因具有优异的电化学性能和低成本而实现商业化应用，但理论容量被限制在370mah/g，因此在应用于高容量的二次电池的方面存在局限性。

3、为了克服所述局限性，硅、锡、锗等非石墨基负极材料作为代替材料而崛起，其中，硅由于锂离子储存能力高且有利于材料的供应，因此作为能够代替石墨的负极材料而被广泛研究。然而，不同于以结构之间的插层方式储存锂离子的石墨，以合金方式储存锂离子的硅因其材料特性在充电过程中会发生比石墨更显著的体积膨胀。这种体积膨胀不仅对电池造成机械应力，还会在充放电过程中引发硅材料本身的受损，从而导致二次电池的性能下降。

4、为了防止这种现象，致力于通过将硅颗粒的大小缩小至纳米级，或者利用碳、聚合物等材料进行复合，或者进行涂覆等方式来提高硅基负极材料的寿命，使得能够将材料的体积膨胀对负极极板施加的机械应力最小化。然而，存在通过这些方法制备的硅碳复合物中包含的硅含量最高为50～60wt％的水平，单位质量容量被限制在2000mah的局限性。

5、近年来，随着对高容量、快速充放电的需求日益增加，正在进行对于3000mah/g以上的高容量负极材料的研究，作为其中一种方法正在研究单独使用微米级硅的方法。

6、现有技术1（kr10-2530678b1）公开了平均粒径（d50）为1μm至30μm的硅颗粒及用分级装置进行粉碎来制备其的方法。然而，通过此类粉碎方法制备的微米级的硅颗粒，存在不仅形状不规则，还无法将晶粒大小调小至100nm以下的局限性。

7、现有技术2（kr10-2454375b1）描述了一种负极材料，将平均粒径（d50）为1μm至10μm的硅基颗粒用石墨及软碳等碳材料进行涂覆，从而防止在充放电过程中可能发生的硅基颗粒的微粉化（pulverization），并减少体积变化引起的应力。

8、现有技术3（kr10-2022-0156964a）公开了一种复合颗粒，其包含含有微孔及介孔的多孔碳框架及位于所述碳框架的孔隙内的多个纳米级元素硅结构域，所述微粒物质包含25重量百分比至65重量百分比的硅，所述孔隙的直径为3～12nm。因此，推断现有技术3中公开的实际制备的硅颗粒的大小为12nm以下。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的在于，提供一种硅基负极材料及包含其的二次电池，当用作二次电池的负极材料时，可以显著提高二次电池的容量、效率、容量保持率及寿命。

3、本发明的目的不限于上述目的，未提及的本发明的其他目的及优点可以通过下述说明理解，并且将通过本发明实施例更明确地理解。并且，显而易见的是本发明的目的及优点可以通过发明要求保护范围中所示的手段及其组合来实现。

4、技术方案

5、为了实现所述目的，根据本发明第一方面，可以提供一种硅基负极材料，其包含碳基结构增强体及与所述碳基结构增强体结合的硅颗粒，相对于所述硅基负极材料的总重量，硅元素的含量为80～99wt％，碳元素的含量为1～20wt％，硅颗粒的晶粒大小（crystallite size）为60nm以下。

6、所述硅基负极材料的振实密度（tap density）可以为1.0（g/cc）以上。

7、所述硅基负极材料的比表面积（bet）可以为2m2/g以下。

8、所述硅基负极材料的球形度可以为80％以上。

9、所述硅基负极材料的平均粒径（d50）可以为2～10μm。

10、所述硅基负极材料的所述碳基结构增强体可以包括碳纤维、碳纳米管、炭黑、沥青（pitch）、石墨片（graphite flake）及石墨中的一种以上材料。

11、所述硅基负极材料的容量可以为3000mah/g以上。

12、根据本发明第二方面，可以提供一种负极活性物质，其包含根据本发明第一方面的硅基负极材料。

13、根据本发明第三方面，可以提供一种二次电池，其包含根据本发明的第二方面的负极活性物质。

14、发明的效果

15、本发明的硅基负极材料在含有高容量的硅的同时满足硅晶粒的大小为60nm以下，因此可以提供一种新型结构的硅基负极材料。

16、本发明的硅基负极材料可以显著提高二次电池的容量、初始效率、容量保持率及寿命。

17、并且，不同于现有技术，本发明的硅基负极材料并非通过粉碎块状硅来制备，因此球形度高且形状规则，从而易于电极板的制作且具有优异的工艺适用性。

18、除了上述效果以外，本发明的效果将在说明下述发明实施方式时一同记述。

1.一种硅基负极材料，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，振实密度为1.0g/cc以上。

3.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，比表面积bet为2m2/g以下。

4.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，球形度为80％以上。

5.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，平均粒径d50为2～10μm。

6.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，所述碳基结构增强体包括碳纤维、碳纳米管、炭黑、沥青、石墨片及石墨中的一种以上材料。

7.根据权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于，容量为3000mah/g以上。

8.一种负极活性物质，其特征在于，包含根据权利要求1至7中任一项所述的硅基负极材料。

9.一种二次电池，其特征在于，包含根据权利要求8所述的负极活性物质。