一种微米硅负极材料及其制备方法、锂离子电池和涉电设备与流程

本技术涉及微米尺寸硅基负极材料领域，尤其涉及一种微米硅负极材料及其制备方法、锂离子电池和涉电设备。

背景技术：

1、硅(si)被认为是石墨负极的高级替代产品，因为其在室温下具有更高的质量比容量(li3.75si,～3579mah g-1)和体积比容量(>2000mah cm-3)；并且，微米硅粉相较于纳米硅粉而言，具有更低的成本，以及更高的堆积密度；特别是，微米硅粉具有更小的比表面积，这将在很大程度上避免电池中电解质分解以及热风险等界面问题。

2、然而，粒度尺寸大于150nm的微米/亚微米硅粉在电化学锂化/去锂化循环过程会中会发生结构粉碎，进而导致整体结构电子中传输路径的断开以及固体电解质相间层(sei)的持续消耗；虽然自愈合粘合剂或电解质设计已被用于保持微米硅颗粒的完整性用以改善其循环性能，但其在稳定sei层方面的作用仍然非常有限，无法在长循环寿命期间经受硅颗粒反复的体积变化。

3、此外，另一种缓解硅颗粒进一步破裂的方法是采用高质量的碳涂层在微米硅颗粒表面上保留空隙；然而，在实际循环过程中，碳涂层很容易破裂，这是因为实际上刚性碳层很难保持与不规则尺寸和各向异性微米硅颗粒兼容的适当空隙体积；因此，在体积剧烈变化时，极有可能产生裂纹，导致整个电极失效；并且在电极制备过程中，碳壳与微米硅颗粒之间的微尺寸空隙难以承受高强度压力，早期报道的碳封装不能同时满足制造和循环过程中严格要求。

4、现有的微米硅基负极材料制备中，缺乏兼顾抑制微米硅颗粒体积膨胀且提升微硅电化学循环寿命的结构设计与生产方法。

5、因此，开发兼具低膨胀、长循环寿命的微米硅基材料是硅碳负极材料规模化应用于锂离子电池负极领域的重要方向。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种微米硅负极材料及其制备方法、锂离子电池和涉电设备，以解决上述问题。

2、为实现以上目的，本技术第一方面提供一种微米硅负极材料的制备方法，包括：

3、将微米硅粉进行表面羟基预改性处理得到表面羟基改性的微米硅粉；

4、将所述表面羟基改性的微米硅粉、乙醇和聚乙二醇进行第一混合得到第一混合溶液；

5、将所述第一混合溶液和含羧基聚合物溶液进行第二混合，得到第二混合溶液；

6、将所述第二混合溶液加热得到杂化水凝胶，所述杂化水凝胶进行干燥得到杂化硅复合物；

7、将所述杂化硅复合物进行高温热处理，得到所述微米硅负极材料。

8、可选地，所述的微米硅负极材料的制备方法满足以下条件中的至少一个：

9、a.所述微米硅粉由工业硅粉进行破碎、筛分得到；

10、b.所述微米硅粉的粒径为2μm-10μm。

11、可选地，所述表面羟基预改性处理包括：

12、将所述微米硅粉在氢氧化锂溶液中进行回流搅拌，固液分离得到固相，将所述固相进行洗涤得到所述表面羟基改性的微米硅粉。

13、可选地，所述的微米硅负极材料的制备方法满足以下条件中的至少一个：

14、a.所述氢氧化锂溶液的浓度为2mol/l-5mol/l，所述微米硅粉和所述氢氧化锂溶液的质量比为(1-2)：(1-5)；

15、b.所述洗涤的洗涤剂包括醋酸溶液，所述醋酸溶液的浓度为1mol/l-5mol/l。

16、可选地，所述的微米硅负极材料的制备方法满足以下条件中的至少一个：

17、a.所述聚乙二醇的分子量为300-500；

18、b.所述第一混合后进行第一搅拌，所述第一搅拌的时间为2h-3h；

19、c.所述第一混合中的所述微米硅粉、所述乙醇和所述聚乙二醇的质量比为1：(2-20)：(1-15)。

20、可选地，所述的微米硅负极材料的制备方法满足以下条件中的至少一个：

21、a.所述第二混合在砂磨机中进行，所述砂磨机的转速为300r/min-400r/min，运行时间为10min-15min；

22、b.所述含羧基聚合物溶液包括聚丙烯酸溶液、丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物溶液和丙烯酸-丙烯酸酯共聚物溶液中的一种或多种；

23、c.所述第二混合中的所述第一混合溶液和所述含羧基聚合物溶液的质量比为(1-10)：1；

24、d.所述含羧基聚合物溶液的质量含量为5％-20％。

25、可选地，所述的微米硅负极材料的制备方法满足以下条件中的至少一个：

26、a.所述加热的温度为120℃-180℃，时间为2h-5h；

27、b.所述干燥采用毛细管干燥技术，在常压大气环境下，所述干燥的温度为60℃-90℃，时间为24h-48h。

28、c.所述高温热处理的温度为900℃-1100℃，时间为3h-5h。

29、本技术第二方面提供一种微米硅负极材料，由所述的微米硅负极材料的制备方法制备得到。

30、本技术第三方面提供一种锂离子电池，包括所述的微米硅负极材料。

31、本技术第四方面提供一种涉电设备，包括所述的锂离子电池。

32、与现有技术相比，本技术的有益效果包括：

33、本技术提供的微米硅负极材料的制备方法，选用微米硅粉作为原料，微米硅粉相较于纳米硅粉价格低廉且来源广泛，并且更高的堆积密度更有助于电池端整体能量密度的提升；将微米硅粉进行表面羟基预改性处理、第一混合和第二混合得到通过羟基-羧基-羟基分子间氢键作用力紧密结合以形成稳固复合物，其中，稳定复合物间通过含羧基聚合物中的羧基与硅表面羟基能够形成分子间氢键作用进而相互吸附形成核壳包覆结构，再经过将其高温热处理制备得到微米硅负极材料，该制备方法适用于大规模工业型生产。

34、本技术提供的微米硅负极材料(msi-siox@pc)，由氧化亚硅(siox)包覆微米硅(msi)的内核结构以及超薄高导电碳外壳结构(pc)组成，其中，氧化亚硅作为一种缓冲基质，考其弹性特性和以及与硅之间的紧密结合，并且无定型siox体积膨胀较小，因此在在循环过程中可以有效缓解硅的体积膨胀，此外，siox@pc涂层不仅有助于释放适应体积变化的应力，而且加速了li+从外壳快速传输到内部硅核，这是基于pc和msi之间原位形成的siox夹层可以有效降低li+从pc到msi之间输运的能量垒；siox@pc涂层提供快速混合离子和电子途径，有助于提升msi-siox@pc微米硅负极材料的电化学反应动力学性能，进而保持机械稳定性的体积变化；这是由于具有高模量的siox@pc有助于在锂化和去锂化过程中释放应力，因此，siox@pc所激活的li+路径即使在发生体积变化下也能保持稳定；通过合理的表界面结构设计极大的改善了微米级尺寸硅粉的电化学循环稳定性以及显著降低锂化过程中的膨胀率；本技术提供的微米硅负极材料在没有明显的容量变化差异的情况下，其电化学循环性能提升显著，该微米硅负极材料能为锂离子电池微米硅碳负极用微硅方向起到重大推进作用。

35、本技术提供的锂离子电池和涉电设备，电化学性能优异。