一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料及制备方法技术

本发明专利技术提供一种硅‑黑磷‑液态金属三元锂电池负极材料及制备方法，涉及锂离子电池负极材料领域，电池负极材料由以下重量份的物质组成：17~20份源硅、20~36份黑磷和3‑5份液态金属。黑磷是由双层原子组成的二维单晶片层结构，厚度为一个原子，且具有天然带隙，且能与硅有较好的相容性，本发明专利技术利用黑磷具有较高的迁移率的特性，通过与硅复合，减少硅的迁移负荷，进一步与镓铌液态金属形成三元锂电池负极材料，能够有效地抑制硅的体积膨胀，而且在同等条件下，可嵌入更多地锂离子，提高电池的能量密度和对电解液的稳定性，提高了电池的循环性能。

A silicon black phosphorus three yuan liquid metal lithium battery cathode material and preparation method thereof

The invention provides a silicon black phosphorus three yuan liquid metal lithium battery cathode material and a preparation method thereof, relates to the field of lithium ion battery cathode material, anode material by weight of the composition: 17~20 source 20~36 a black silicon, phosphorus and 3 5 liquid metal. Is a two-dimensional black phosphorus single crystal lamellar structure composed of double atoms, the thickness of an atom, which has a natural gap, and has good compatibility with silicon, the invention uses black phosphorus with high mobility, and through silicon composite, reduce the load transfer of silicon, and further gallium liquid metal niobium formed three lithium battery cathode materials, can effectively inhibit the silicon volume expansion, and under the same conditions, can be embedded in more lithium ion battery, improve the energy density and stability of electrolyte and improve the cycle performance of the battery.

【技术实现步骤摘要】
一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料及制备方法
本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
现代工业的飞速发展，人类对于能源的需求日益增大。目前世界所利用能源的85％来自于化石原料(煤、石油、天然气等)，这些原料是不可再生的，其造成的环境污染也在不断加剧。因此，绿色能源及其材料的研制开发，对于实现二十一世纪可持续发展战略，缓解能源危机和减轻环境污染压力都具有非常重要的意义。随着环境污染的日益严重和人们环保意识的增强，以铅、镉等有毒金属作为电池材料的使用逐渐受到限制，这促使人们开始寻找新的电池材料。锂离子电池作为一种可循环使用的高效绿色新能源，是综合缓解能源、资源和环境问题的一种重要技术途径。特别是近年来基于锂离子电池而迅速发展起来的便携式电子产品、电动车辆、航空航天与国防装备的电源系统等众多应用领域，无不显示出锂离子电池对当今社会可持续发展的重要支撑作用。锂电池作为一种高能环保电池，其具有工作电压高、比能量大、可快速充放电及循环使用寿命长等优点，因此已经被广泛的应用于手机、笔记本电脑以及数码相机等电子产品。除此之外，锂电池开始逐渐应用于电动汽车和航天领域等新兴市场。锂电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以，锂电池长期没有得到应用，随着技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可以分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料，使用非水电电解质的电池，充电时正极上发生的反应为：LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)，充电时负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe-=LixC6，充电电池的总反应为：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6。锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。一般来说，选择一种好的负极材料应遵循以下原则：比能量高；相对锂电极的电极电位低；充放电反应可逆性好；与电解液和粘结剂的兼容性好；比表面积小，真密度高；嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好；资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用。目前，已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。但负极材料存在充放电过程中首次循环库伦效率低和体积变化大的现象，且循环使用性能较差，因此提高负极材料的循环稳定性成为研究负极材料的主要目标。自从上世纪九十年代日本索尼公司首先用石墨作为负极研制出二次锂离子电池并实现产业化以来，锂离子电池得到了迅速的发展。该电池体系用石墨代替金属锂负极，电池的安全性能大为改善，并且具有较长的循环寿命，同时电池的充放电效率也得到提高，因此锂离子电池的研究开发很大程度上就是负极嵌锂化合物的研究开发，负极材料的发展在锂离子电池的发展中起了决定性作用。随着手机、笔记本电脑、数码相机等诸多便携式小型电器的日益多功能化，电池的规格型号及内在性能也向着多样化方向发展，对电池的一致性和安全、大电流、长寿命等性能提出了更高的要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分。锂离子电池负极材料大体包括：碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物过渡金属氧化物和磷化物负极材料、过渡金属硫化物负极材料，合金类负极材料。目前商业化的锂离子电池负极材料主要以石墨类碳材料为主，由于其比容量低和安全性差的问题制约了动力锂离子电池的进一步开发与应用。因此开发高比容量、安全性好的负极材料是当今研究工作的重点。目前，锂离子电池主要以硅及其复合物作为电极材料，但是其在充放电过程中电极体积发生膨胀，电池性能不稳定的不足，电池的循环性较差。
技术实现思路
针对目前锂离子电池中存在的电池在充放电过程中电极体积发生膨胀，电池性能不稳定的不足，本专利技术提供了一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料及其制备方法，有效的减少了硅的迁移负荷，进一步与镓铌液态金属形成三元锂电池负极材料，有效地抑制硅的体积膨胀，而且在同等条件下，可嵌入更多地锂离子，提高电池的能量密度和对电解液的稳定性。一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料，由硅源、黑磷和液态金属组成；由于硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌入和脱嵌锂电位，将硅与黑磷复合，能够有效减少硅的迁移负荷，再与液态金属复合，有效抑制电极材料在充放电过程发生体积膨胀，从而提高电池的稳定性。电极材料中各物质的含量是影响电极性能的重要因素之一，所述电池负极材料由以下重量份的物质组成：10~25份硅源、15~40份黑磷和3-5份液态金属。更进一步的，所述电池负极材料由以下重量份的物质组成：17~20份源硅、20~36份黑磷和4-4.5份液态金属。根据本专利技术，进一步的，所述硅源可以为单质硅或硅的复合物，如硅纳米线、硅纳米球、纳米硅薄膜、硅和石墨烯的复合物、硅与碳纳米管的复合物、掺杂Cu的Si/C复合材料、Si/TiN、Si/TiB2、Si-M-C中的一种或多种组合物。根据本专利技术，所述液态金属为镓基金属合金，优选为镓基金属合金中含有铌、铟、锡、镁金属元素中的至少一种，更进一步的，所述镓基金属合金为镓铌合金。根据本专利技术，本专利技术中金属合金的熔点取决于合金中各元素的含量配比，进一步的，所述镓铌合金中镓和铌的重量百分比分别为：镓70~95%、铌5~30%。本专利技术还提供一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料的制备方法，包括以下步骤:（1）按重量份称取硅源、黑磷、液态金属；（2）将黑磷加入反应釜中升温至240~260℃，然后加入液态金属，保温2~4h，得到金属溶液，降温至80~120℃，将硅源加入金属溶液中，混合均匀后，自然冷却至室温，得到三元复合材料。硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌入和脱嵌锂电位，作为高容量锂电池负极材料在动力电池领域具有巨大的优势，但使在充放电过程中硅及其复合材料容易发生体积膨胀，目前主要通过合成硅纳米材料和硅复合材料等改善硅的膨胀，但效果并不明显。硅纳米材料常温下锂离子的嵌脱会破坏硅的晶体结构，生成亚稳态的锂和硅的化合物，导致电池循环性能下降。而纳米级的硅在脱嵌锂过程中体积变化绝对值很小，能减缓材料的结构破坏，但是纳米材料容易团聚，团聚后的颗粒有可能失去电接触而失效；硅复合材料有效地防止硅电极由于机械破坏而引起的活性体失活，但是，当硅含量增加到一定程度时，石墨不能将硅很好的分散，部分硅发生了团聚。纳米材料颗粒细小，比表面积大，从而有机电解液的不可逆还原反应引起的不可逆容量损失很大，黑磷具有较高的迁移率的特性，黑磷二维单晶片层由双层原子组成，厚度为一个原子，具有天然带隙，能够与硅有较好的相容性，通过与硅复合，减少硅的迁移负荷，进一步与镓铌等液态金属形成三元锂电池负极材料，有效地抑制硅的体积膨胀，而且在同等条件下，可嵌入更多地锂离子，提高电池的能量密度和对电解液的稳定性。将本专利技术的硅-黑磷-液态金属复合材料制成负极，测试其电化学性能，并与现有技术中的锂电池负极材料作比较（对比文件1为公开号为CN105185995A的中国专本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅‑黑磷‑液态金属三元锂电池负极材料，其特征是由硅源、黑磷和液态金属组成；所述电池负极材料由以下重量份的物质组成：10~25份硅源、15~40份黑磷和3‑5份液态金属；所述硅源为单质硅或硅的复合物；所述液态金属为镓基金属合金。

【技术特征摘要】
1.一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料，其特征是由硅源、黑磷和液态金属组成；所述电池负极材料由以下重量份的物质组成：10~25份硅源、15~40份黑磷和3-5份液态金属；所述硅源为单质硅或硅的复合物；所述液态金属为镓基金属合金。2.根据权利要求1所述一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料，其特征在于：所述电池负极材料由以下重量份的物质组成：17~20份源硅、20~36份黑磷和4~4.5份液态金属。3.根据权利要求1所述一种硅-黑磷-液态金属三元锂电池负极材料，其特征在于：所述硅源为硅纳米线、硅纳米球、纳米硅薄膜、硅和石墨烯的复合物、硅与碳纳米管的复合物、掺杂Cu的Si/C复合材料、Si/TiN、Si/TiB2、Si-M-C中的一种或多种组合物。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，王镭迪，曾军堂，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51