本申请提供了一种有机官能团修饰的硅负极材料及制备方法和应用,属于电池负极材料领域。该方法包括:将硅烷偶联剂进行预水解,得到混合液;将硅材料加入至混合液中,以在硅材料表面键连硅烷偶联剂,得到中间体;将中间体、聚合物单体及引发剂进行原位聚合,以在中间体的表面形成导电聚合物,得到硅负极材料。首先硅烷偶联剂的可水解官能团经水解后会与光伏硅废料表面的硅羟基发生缩合反应,形成化学键合。同时,硅烷偶联剂中的非水解官能团部分则保留在硅颗粒表面,为后续的聚合反应提供了聚合位点;随后通过简单原位聚合实现不同有机官能团修饰,从而实现颗粒膨胀过程中的限域效应和应力耗散,进而缓解硅颗粒巨大的体积膨胀。
背景技术
硅基锂离子电池负极材料因其高比容量(~3579mAh g-1
)、低嵌锂电势(~0.4V,Li+
/Li)和原料来源广泛在近些年来备受研究者的关注,但硅材料在完全嵌锂时会产生超过300%的体积膨胀,从而产生巨大的应力,造成结构粉化,并使得负极片上集流体与活性物质脱离,容量急速衰减;由于破裂暴露出的新鲜硅表面,会在电极与电解质界面处生成更多的固态电解质界面,消耗更多的电解质成分,随着循环发生,容量衰减。硅颗粒的尺寸越大,本征问题会更加明显和剧烈。
通过在硅颗粒表面包覆无机材料可以实现硅材料在完全嵌锂时体积膨胀的问题的改性,包覆材料的种类和结构设计对硅负极的性能有重要影响。碳材料,如无定形碳和石墨,因其优异的导电性、化学稳定性和机械强度,常被用作硅负极的三维保护涂层。这些碳材料有助于缓冲硅在充放电过程中的体积膨胀,同时隔离电解液,减少副反应,从而提高硅负极的结构稳定性和电化学性能。除了碳材料,金属氧化物如TiO2
、Al2
O3
等也被用作包覆材料。这些金属氧化物具有一定的刚性,可以减少硅与电解液之间的副反应,抑制体积膨胀,从而提高硅负极的循环稳定性。然而,虽然无机包覆层可以提供一定的保护,但传统的刚性无机物在硅体积膨胀时可能会发生破裂和剥离,导致保护层失效;成本和制备复杂性,一些硅负极的无机包覆材料成本较高,制备过程复杂,这限制了其在商业化生产中的应用;锂离子传输受限,由于硅负极的体积膨胀,可能会限制锂离子的传输,影响电池的充放电性能。因此,如何进一步缓解硅颗粒的体积膨胀,是目前亟须解决的技术问题。
实现思路