本發(fā)明涉及電池，特別是涉及一種負極活性材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、隨著高能量密度電池需求的不斷增長，具有相對較高的理論比容量(約4200mah/g)的硅基材料成為電池負極材料的熱門研究方向。然而，硅基材料在充放電過程中存在嚴重的體積膨脹(高達300％)問題，造成硅基材料粉化從集流體上剝落，使得活性物質與活性物質、活性物質與集流體之間失去電接觸，同時不斷形成新的固相電解質層(sei)，最終導致電化學性能惡化，限制了電池的實際應用。

2、雖然通過對硅基負極材料進行表面改性、元素摻雜以及預鋰化等方面的處理，有利于抑制硅基負極材料的體積膨脹并提升其性能。然而，這些處理方法同時也增加了硅基負極材料的不穩(wěn)定性，使具有產(chǎn)氣缺陷的硅基負極材料在電極制造過程中產(chǎn)氣量激增，這不僅為勻漿過程帶來安全風險，而且還可能在電極涂布和干燥過程中引起針孔、氣孔、顆粒、劃痕和掉料等缺陷，從而降低電極片的整體性能，尤其是，在硅基負極材料表面包覆親水性聚合物，雖然有助于改善硅碳在勻漿過程中的分散性，但是卻加劇了硅與水的副反應產(chǎn)氣，導致電池容量損失、壽命降低。

技術實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述問題，提供一種負極活性材料及其制備方法和應用；所述負極活性材料具有獨特的內層疏水-外層親水的雙層保護結構，不僅分散性優(yōu)異，而且能夠有效抑制產(chǎn)氣量和體積膨脹，有利于提高電池的穩(wěn)定性和安全性。

2、一種負極活性材料，包括硅基材料以及包覆于所述硅基材料表面的聚合物包覆層，所述聚合物包覆層包括水溶性聚合物和表面活性劑，所述聚合物包覆層的水接觸角為65°-85°；

3、所述表面活性劑的化學式為a1-r-a2，其中，a1、a2各自獨立地選自含n、o、p、s中至少一種元素的極性基團，r選自取代或未取代的c8-c50的脂肪烴鏈段、取代或未取代的c8-c50含雜原子的脂肪烴鏈段、取代或未取代的c8-c50的脂環(huán)烴鏈段、取代或未取代的c8-c50含雜原子的脂環(huán)烴鏈段、取代或未取代的c8-c50的芳香烴鏈段、取代或未取代的c8-c50含雜原子的芳香烴鏈段，取代基選自c1-c20的支鏈或直鏈的烴基、c1-c20的支鏈或直鏈的烷氧基、c3-c20的支鏈或直鏈的環(huán)烷基、c6-c30的芳香基、c5-c30的雜芳香基中的至少一種。

4、在其中一個實施例中，a1、a2各自獨立地選自羧酸基團、羧酸鹽基團、磺酸基團、磺酸鹽基團、硫酸基團、硫酸鹽基團、磷酸基團、磷酸鹽基團、氨基、酰胺基、脲基、硫脲基、羥基、巰基、銨鹽基團、季銨鹽基團、鏻鹽基團、季鏻鹽基團、咪唑鹽基團、吡啶鹽基團、氧化銨基、聚醚基團、烷基糖苷基團或者多糖基團中的至少一種。

5、在其中一個實施例中，a1、a2各自獨立地選自季銨鹽基團、羧酸基團、氨基、酰胺基、烷基糖苷基團、硫脲基、羥基中的至少一種。

6、在其中一個實施例中，當雜原子選自硅原子時，r中碳原子數(shù)或硅原子數(shù)分別獨立地選自8-1000；

7、及/或，r的分子量為100-10000。

8、在其中一個實施例中，所述表面活性劑選自

9、中的至少一種。

10、在其中一個實施例中，所述水溶性聚合物選自多糖類聚合物、聚醚類聚合物、聚酰胺類聚合物、聚砜類聚合物、聚硫醚類聚合物、聚丙烯酸類聚合物、聚丙烯酸酯類聚合物、聚丙烯酰胺類聚合物、聚丙烯腈類聚合物、聚醋酸乙烯酯類聚合物、聚乙烯醇類聚合物、聚乙烯基烷基醚類聚合物、聚環(huán)氧化物類聚合物、聚乙烯亞胺類聚合物、聚離子液體類聚合物中的至少一種。

11、在其中一個實施例中，所述聚合物包覆層的質量為所述硅基材料質量的0.2％-80％；

12、及/或，所述水溶性聚合物與所述表面活性劑的質量比為0.1:50-30:0.1；

13、及/或，所述聚合物包覆層中還包括鋰鹽添加劑、導電劑、交聯(lián)劑中的至少一種。

14、在其中一個實施例中，所述硅基材料選自硅微粒、硅納米粒子、硅碳材料、硅氧材料、硅合金材料中的至少一種。

15、一種如上所述的負極活性材料的制備方法，包括：將硅基材料、水溶性聚合物、表面活性劑分散于溶劑中，得到第一混合物，所述第一混合物經(jīng)干燥制得所述負極活性材料；

16、或者，將硅基材料和水溶性聚合物分散于溶劑中，得到第二混合物，所述第二混合物經(jīng)干燥制得復合物，再將所述復合物與表面活性劑分散于溶劑中，得到第三混合物，所述第三混合物經(jīng)干燥制得所述負極活性材料。

17、在其中一個實施例中，所述硅基材料與所述水溶性聚合物、所述表面活性劑的質量比為100:(0.1-30):(0.1-50)；

18、及/或，分散轉速為100rpm-5000rpm；

19、及/或，干燥的溫度為25℃-200℃；

20、及/或，所述第一混合物中還包括鋰鹽添加劑、導電劑、交聯(lián)劑中的至少一種；

21、及/或，所述第二混合物中還包括鋰鹽添加劑、導電劑、交聯(lián)劑中的至少一種。

22、一種負極極片，包括負極集流體和負極活性材料層，所述負極活性材料層包含如上所述的負極活性材料。

23、一種電池，包括如上所述的負極極片。

24、本發(fā)明所述的負極活性材料中，水溶性聚合物協(xié)同具有特殊結構的表面活性劑，包覆在硅基材料表面形成聚合物包覆層，該聚合物包覆層中，表面活性劑的r疏水鏈和水溶性聚合物均可以作用于硅基材料表面，且表面活性劑的r疏水鏈與水溶性聚合物中的疏水基團之間存在疏水相互作用力，從而構成包覆于硅基材料表面的疏水保護層，同時，表面活性劑中親水的雙頭結構主要呈u型分布于疏水保護層表面，形成親水外層，進而構成特殊水接觸角的內層疏水-外層親水的雙層保護結構，不僅能夠利用內層疏水作用，降低硅與水的副反應，有效抑制產(chǎn)氣量，而且可以通過外層親水作用提升負極活性材料在水系漿料中的分散效果。

25、此外，當硅基材料發(fā)生體積膨脹時，具有特殊結構的表面活性劑能夠通過被拉伸釋放應力，從而有效抑制負極活性材料的體積膨脹，進而提高電池的穩(wěn)定性和安全性。

技術特征：

1.一種負極活性材料，其特征在于，所述負極活性材料包括硅基材料以及包覆于所述硅基材料表面的聚合物包覆層，所述聚合物包覆層包括水溶性聚合物和表面活性劑，所述聚合物包覆層的水接觸角為65°-85°；

2.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，a1、a2各自獨立地選自羧酸基團、羧酸鹽基團、磺酸基團、磺酸鹽基團、硫酸基團、硫酸鹽基團、磷酸基團、磷酸鹽基團、氨基、酰胺基、脲基、硫脲基、羥基、巰基、銨鹽基團、季銨鹽基團、鏻鹽基團、季鏻鹽基團、咪唑鹽基團、吡啶鹽基團、氧化銨基、聚醚基團、烷基糖苷基團或者多糖基團中的至少一種。

3.根據(jù)權利要求2所述的負極活性材料，其特征在于，a1、a2各自獨立地選自季銨鹽基團、羧酸基團、氨基、酰胺基、烷基糖苷基團、硫脲基、羥基中的至少一種。

4.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，當雜原子選自硅原子時，r中碳原子數(shù)或硅原子數(shù)分別獨立地選自8-1000；

5.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，所述表面活性劑選自中的至少一種。

6.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，所述水溶性聚合物選自多糖類聚合物、聚醚類聚合物、聚酰胺類聚合物、聚砜類聚合物、聚硫醚類聚合物、聚丙烯酸類聚合物、聚丙烯酸酯類聚合物、聚丙烯酰胺類聚合物、聚丙烯腈類聚合物、聚醋酸乙烯酯類聚合物、聚乙烯醇類聚合物、聚乙烯基烷基醚類聚合物、聚環(huán)氧化物類聚合物、聚乙烯亞胺類聚合物、聚離子液體類聚合物中的至少一種。

7.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，所述聚合物包覆層的質量為所述硅基材料質量的0.2％-80％；

8.根據(jù)權利要求1所述的負極活性材料，其特征在于，所述硅基材料選自硅微粒、硅納米粒子、硅碳材料、硅氧材料、硅合金材料中的至少一種。

9.一種如權利要求1-8任一項所述的負極活性材料的制備方法，其特征在于，包括：將硅基材料、水溶性聚合物、表面活性劑分散于溶劑中，得到第一混合物，所述第一混合物經(jīng)干燥制得所述負極活性材料；

10.根據(jù)權利要求9所述的負極活性材料的制備方法，其特征在于，所述硅基材料與所述水溶性聚合物、所述表面活性劑的質量比為100:(0.1-30):(0.1-50)；

11.一種負極極片，其特征在于，所述負極極片包括負極集流體和負極活性材料層，所述負極活性材料層包含如權利要求1-8任一項所述的負極活性材料。

12.一種電池，其特征在于，包括如權利要求11所述的負極極片。

技術總結
本發(fā)明涉及負極活性材料及其制備方法和應用。所述負極活性材料包括硅基材料以及包覆其表面的聚合物包覆層，聚合物包覆層包括水溶性聚合物和表面活性劑，聚合物包覆層的水接觸角為65°?85°；表面活性劑的化學式為A1?R?A2，A1、A2各自獨立地選自含N、O、P、S中至少一種元素的極性基團，R選自取代或未取代的C8?C50的脂肪烴鏈段、取代或未取代的C8?C50含雜原子的脂肪烴鏈段、取代或未取代的C8?C50的脂環(huán)烴鏈段、取代或未取代的C8?C50含雜原子的脂環(huán)烴鏈段、取代或未取代的C8?C50的芳香烴鏈段、取代或未取代的C8?C50含雜原子的芳香烴鏈段。該負極活性材料具有內層疏水?外層親水的雙層保護結構，分散性優(yōu)異且產(chǎn)氣量低。

技術研發(fā)人員：盧陳杰,葉翠翠,林宗璽,方宇波,張家熙,金薛鐳,杜寧,岳敏
受保護的技術使用者：浙江大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10