本申请涉及电化学储能领域,尤其是涉及一种硅基复合材料、应用所述硅基复合材料的二次电池以及应用所述二次电池的电子装置。
背景技术:
1、近年来,二次电池(如锂离子电池)在新能源汽车和大规模储能领域得到了迅猛发展。二次电池通常采用硅材料作为负极材料。硅材料由于较高的理论比容量(li15si4,3579mah/g)和合适的工作电压(<0.5vvs.li/li+)等特点,被认为是可以替代石墨的最有前途的负极材料。然而,低的导电性以及在合金化/去合金化过程中巨大的体积膨胀,影响了二次电池的循环性能。
技术实现思路
1、本申请提供一种能够提高循环性能的硅基复合材料。
2、另,本申请还提供一种应用硅基复合材料的二次电池和电子装置。
3、本申请提供一种硅基复合材料,包括硅基体以及位于硅基体的至少部分表面的第一层,第一层包括导电剂和含氟的磷酸锂化合物,第一层的厚度为hnm,5≤h≤200。
4、本申请的硅基复合材料应用于二次电池时,第一层中含氟的磷酸锂化合物在二次电池充电过程中会发生还原反应形成lif、li3po4或li3p等无机盐组分,并参与固体电解质界面膜(sei膜)的形成,无机盐组分提高sei膜的强度和离子导电性,从而能够改善sei膜的界面稳定性,提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。同时,第一层中导电剂的加入能够进一步改善硅基复合材料的导电性,进而提升硅基复合材料的动力学性能;在提高sei膜稳定性的同时,还利于相对减小sei膜的厚度,降低sei膜的界面传输阻抗,从而改善析锂现象。第一层的厚度在上述范围内,在提高硅基复合材料的比容量的同时还能够保护硅基体,提高sei膜的界面稳定性,进一步提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
5、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,含氟的磷酸锂化合物选自二氟磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的至少一种。该含氟的磷酸锂化合物中均能够发生还原反应形成lif、li3po4或li3p等无机盐组分,以改善sei膜的界面稳定性,提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
6、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,导电剂包括单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一种。该导电剂均为线状导电剂,能够提供较好的离子传输通道,提升硅基复合材料的导电性,从而提升硅基复合材料的动力学性能。
7、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,5≤h≤64,利于进一步通过第一层提升sei膜的稳定性,提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
8、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,硅基复合材料的粒径dv50为xμm,4≤x≤13。利于减少硅基复合材料和电解液的接触,进而减小硅基复合材料与电解液的副反应,从而提高硅基复合材料的循环性能。
9、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,0.56≤h/x≤22.22,利于使硅基复合材料兼具较好的动力学性能、循环性能和膨胀性能。
10、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,导电剂为线状结构,导电剂的平均直径为ynm,1≤y≤30。利于使导电剂具有较好的分散性的同时,还利于提高硅基复合材料的电导率,从而提高硅基复合材料的动力学性能和循环性能。导电剂的平均长度为lnm,1000≤l≤2000。利于使硅基复合材料具有较好分散性的同时,还利于使活性离子具有良好的长程导电能力,提高硅基复合材料的倍率性能。
11、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,1≤h/y≤50。通过调控第一层的厚度和导电剂的平均直径的关系,以在第一层厚度较厚时,导电剂能够保持合适的平均直径,从而利于提高硅基复合材料的整体稳定性以及离子导电性。
12、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,硅基体的球形度为s,s≥0.8。硅基体的球形度越大,利于提高活性离子嵌入硅基复合材料的均匀性,也利于提高第一层包覆的均匀性以及硅基体的稳定性,从而利于提高sei膜的稳定性,进而提高硅基复合材料的循环性能。
13、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,1052≤l/s≤2105。较高的球形度下,硅基复合材料之间存在间隙,调整导电剂的平均长度和球形度之间的关系,在较高的球形度下,利用较长的导电剂长度,使得导电剂之间形成连通的活性离子传输通道,以利于提高活性离子传输速率,从而提高硅基复合材料的倍率性能。
14、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,基于硅基复合材料的质量,第一层中锂元素的质量占比为a%,0.1≤a≤4;第一层中磷元素的质量占比为b%,0.03≤b≤1.2;第一层中氟元素的质量占比为c%,0.1≤c≤4;当锂元素、磷元素和氟元素含量在适应的范围内,以使得第一层保护硅基体,利于使硅基复合材料具有优异的比容量的同时,提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
15、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,硅基体包括硅碳材料,基于硅基体的质量,硅元素的质量占比为d%,38≤d≤59,碳元素的质量占比为e%,40≤e≤61。利于使硅基体在具有较好的比容量和首次效率的同时,还可提高硅基复合材料的界面稳定性,进而提升硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
16、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,0.003≤(a+b+c)/d≤0.19。第一层中的锂元素、磷元素和氟元素含量与硅基体中硅元素满足上述关系式,使得第一层中元素充分参与sei膜的形成,利于提高sei膜的稳定性并提高对硅基体的保护,从而提高硅基复合材料的循环性能和膨胀性能。
17、基于第一方面,在一些可能的实施方式中,0.104≤h/d≤4.16。利于在硅基体具有一定硅含量的同时,调整第一层的厚度,减少硅基体和电解液发生的副反应,从而利于提高硅基复合材料的循环性能。
18、本申请第二方面提供一种二次电池,包括负极极片、正极极片和电解液,负极极片包括硅基复合材料。第一层中的含氟的磷酸锂化合物能够改善sei膜的界面稳定性,提高二次电池的循环性能。
19、本申请第三方面提供一种电子装置,包括二次电池。二次电池为电子装置供电,二次电池包括负极极片,负极极片中硅基复合材料,能够提高二次电池的循环性能,进而提高电子装置的使用寿命和充放电速率。
1.一种硅基复合材料,其中,包括硅基体以及位于所述硅基体的至少部分表面的第一层,所述第一层包括导电剂和含氟的磷酸锂化合物,所述第一层的厚度为h nm,5≤h≤200。
2.如权利要求1所述的硅基复合材料,其中,所述含氟的磷酸锂化合物选自二氟磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂或四氟草酸磷酸锂中的至少一种;
3.如权利要求1或2所述的硅基复合材料,其中,所述硅基复合材料满足以下条件中的至少一者:
4.如权利要求1所述的硅基复合材料,其中,所述导电剂为线状结构,所述导电剂的平均直径为y nm,1≤y≤30;所述导电剂的平均长度为l nm,1000≤l≤2000。
5.如权利要求4所述的硅基复合材料,其中,1≤h/y≤50。
6.如权利要求4所述的硅基复合材料,其中,所述硅基体的球形度为s,s≥0.8。
7.如权利要求6所述的硅基复合材料,其中,1052≤l/s≤2105。
8.如权利要求1所述的硅基复合材料,其中,所述硅基复合材料满足以下条件中的至少一者:
9.如权利要求8所述的硅基复合材料,其中,0.104≤h/d≤4.16。
10.一种二次电池,包括负极极片、正极极片和电解液,其中,所述负极极片包括如权利要求1至9中任一项所述的硅基复合材料。
11.一种电子装置,其中,包括如权利要求10所述的二次电池。
