锂离子电池、纳米硅材料及制备方法技术

本发明专利技术提出了一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。采用上述方法制备得到纳米硅，并作为负极材料应用在锂离子电池上，能有效提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池、纳米硅材料及制备方法
本专利技术涉及到半导体材料领域，特别是涉及到一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法。
技术介绍
根据工信部的《节能与新能源汽车技术路线图》的要求，到2020年纯电动汽车动力电池单体能量密度要超过300Wh/kg。而传统的石墨负极材料，其理论容量仅为372mAh/g，基本无法达到300Wh/kg的能量密度目标。因此目前动力电池行业提高锂离子电池能量密度的大势所趋是采用高容量的纳米硅材料。然而，目前的作为电池负极的纳米硅材料仍然处于试验阶段，这是由于硅作为锂离子电池负极材料还具有以下两个问题没有得到解决：(1)在充放电过程中体积变化过大(>300％)，从而导致材料粉化，导致首次库伦效率过低，并且循环过程容量衰减严重(2)硅为半导体材料，其本征电导率过低，仅为4.7x10-3S/m,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，进一步降低了首次库伦效率，并且对其倍率与循环性能不利。针对以上问题，材料以及锂离子电池领域的专家们进行了大量的研究，研究发现将纳米级的硅颗粒在充放电过程中的形貌保持较为完整，并且以高导电性的碳、导电聚合物或者金属与纳米硅进行复合，来提高纳米硅的电导率。然而复合材料不可避免的存在一定的界面问题，而且复合材料并没有从本质上改变纳米硅的导电性，在充放电过程中，导电性较差的纳米硅仍会影响锂离子电池的整体电化学性能。因此提高纳米硅的导电性，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命仍是业内亟需解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，通过提供一种高导电性的纳米硅材料并应用在锂离子电池上，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。为了实现以上目的，本专利技术提出了一种纳米硅材料的制备方法，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；将粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。进一步地，掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种。进一步地，二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)。进一步地，指定升温速率为2—10℃/min；指定温度为600—1200℃；高温反应时间为1—6h；进一步地，分散剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合。进一步地，粗颗粒硅与分散剂的质量比范围为1：(5—10)。进一步地，指定研磨工艺包括球磨和砂磨，球磨的转速为30-100rpm；球磨的时间为0.5-3h，砂磨的转速为1000-3000rpm，砂磨的时间为30-60h。进一步地，纳米硅的平均粒径为50-300nm。本专利技术还提出了一种锂离子电池，包括上述的纳米硅材料的制备方法制备得到的纳米硅材料。进一步地，还包括负极片和电解液；负极片中纳米硅材料、导电剂、粘结剂的质量比例为80:10:10；电解液为LiPF6的有机溶液，电解液的摩尔浓度范围包括1.2mol/L。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：采用杂原子掺杂的方式，提高纳米硅材料中载流子的浓度，从而提高纳米硅材料本征粉末电导率。与现有的通过复合材料提高纳米硅材料电导率的方法相比，从纳米硅材料的本征上提高了其电导率，避免了复合材料的界面问题以及导致负极容量降低的问题。所得的纳米硅材料应用在锂离子电池上，首次库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长。并且将杂原子掺杂的过程与镁热还原过程合二为一，可以利用镁热还原放出的大量热量提高反应体系温度，促进杂原子在硅材料中的扩散，同时在单质硅形成时即发生杂原子掺杂，掺杂均匀且效率高，简化了工艺流程的同时也起到了节约能源的效果，此外掺杂剂的加入还可以抑制镁热还原反应体系的温度飙升，抑制副反应的产生，所采用的原料低廉易得、工序简单、后处理容易，大大降低了生产成本，利于放大化生产。附图说明图1为本专利技术纳米硅材料中低温镁热还原制备纳米硅材料的流程图。图2为本专利技术一实施例所制备的纳米硅材料的SEM图。图3为本专利技术一实施例所制备的纳米硅材料的粉末电导率随压力的变化图。图4为本专利技术一实施例所制备的纳米硅材料所对应的锂离子电池的充放电曲线图。图5为本专利技术一实施例所制备的纳米硅材料所对应的锂离子电池的循环性能图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。另外，在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。如图1所示，本专利技术一实施例的纳米硅材料的制备方法，包括：S1：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照一定的质量比混合均匀，得到混合物。本实施例的所述二氧化硅颗粒的平均粒径为10-2000μm；所述镁金属为金属镁粉，纯度>98％，其平均粒径为10-2000μm；所述掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种；所述二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)，所述二氧化硅、镁金属、掺杂剂的混合方式为机械搅拌混合、VC机混合、球磨混合中的任意一种或几种的混合。本实施例采用机械混合方式混合均匀，有利于镁热还原反应均匀进行，也有利于杂原子扩散掺杂。S2:将混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物。本实施例所述高温反应炉为管式炉、箱式炉、回转炉、窑炉中的任意一种；所述惰性气体为氩气、氮气、氢气的任意一种或至少两种的组合；所述指定升温速率为2—10℃/min；所述指定温度为600—1200℃；所述高温反应时间为1—6h。本实施例中将杂原子掺杂的过程与镁热还原过程合二为一，可以利用镁热还原放出的大量热量提高反应体系温度，促进杂原子在硅材料中的扩散，同时在单质硅形成时即发生杂原子掺杂，掺杂均匀且效率高，简化了工艺流程的同时也起到了节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米硅材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。

【技术特征摘要】
1.一种纳米硅材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。2.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种。3.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)。4.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述指定升温速率为2—10℃/min；所述指定温度为600—1200℃；所述高温反应时间为1—6h。5.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：邴雪峰，张耀，褚春波，王威，王明旺，
申请(专利权)人：欣旺达电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44