一种Li制造技术

一种Li

【技术实现步骤摘要】
一种Li21Si5/C复合材料、制备及应用
本专利技术属于锂离子电池富锂负极材料领域，具体涉及一种制备纳米Li21Si5和碳复合电极材料的方法。
技术介绍
锂-硫和锂-氧电池由于具有高能量密度和低成本的优点，近年来成为能源存储材料领域的研究热点，并有望应用于智能电网、电动汽车等诸多大型储能领域。锂负极枝晶形成和安全性问题是目前制约其大规模商业化应用的重要限制因素，因此，急需开发高比容量、高安全性的富锂负极材料以取代目前的金属锂负极。锂硅合金由于具有高的理论比容量以及能够避免形成锂枝晶的优势，而成为最具开发潜力的金属锂替代材料。然而锂硅合金具有极强的还原性，在电极制备和电池组装过程中，材料中的锂易与有机溶剂和电解液发生反应，从而显著减少提供锂的能力。另一方面，为了保证负极具有单位面积和单位体积下的高比容量，需要使活性材料粒径分布于微米尺度。因此，有必要提供一种新的锂硅类材料或制备方法提高富锂电极材料的性能。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种Li21Si5/C复合材料、制备及应用，本专利技术方法制备的Li21Si5/C复合材料具有高比容量和优良循环稳定性。本专利技术的一种Li21Si5/C复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)首先将硅纳米颗粒在真空条件下加热到100-150℃以去除其吸附的气体和水分，再按照Li21Si5化合物成分摩尔配比，在氩气手套箱内称取一定质量比的硅纳米颗粒和锂片，放入钽坩埚中，再将硅纳米颗粒、锂片和钽坩埚移入不锈钢球磨罐中，在氩气保护的环境下，利用外加的磁力搅拌器将硅纳米颗粒和锂片在钽坩埚中进行磁力搅拌，同时将不锈钢球磨罐加热到200-230℃，保温6-9小时，由此制备得到平均颗粒尺寸为100～280纳米的Li21Si5颗粒；(2)将步骤(1)制备的Li21Si5颗粒与乙炔黑进行球磨混合，球磨工艺为：球料比10-20:1，球磨转速300-500r/min，球磨时间8-15小时，制备得到细小且分布均匀的Li21Si5与碳的混合粉末；优选乙炔黑占混合粉末的质量百分比为20-30％；(3)将步骤(2)制备的Li21Si5与碳的混合粉末利用放电等离子烧结方法制备成致密块体，放电等离子烧结工艺为：烧结压力为60-80MPa，烧结温度200-300℃，不保温，将烧结得到的块体研磨成微米尺度的Li21Si5/C复合材料粉体，该粉体即为本专利技术制备的富锂型负极材料。步骤(1)在制备Li21Si5化合物时，Li可过量0-5wt％，作为烧损量。本专利技术方法制备得到的Li21Si5/C复合材料作为富锂负极材料应用。本专利技术的特色和技术效果在于：(1)将硅纳米颗粒和锂片在搅拌条件下于200-230℃加热锂化，能够有效避免生成的Li21Si5颗粒发生团聚，所制备的Li21Si5颗粒尺寸分布均匀，粒径为100～280纳米。(2)将亚微米尺寸的Li21Si5颗粒与乙炔黑球磨混合，在细化颗粒的同时，使两者分布均匀，从而使烧结后复合材料块体中保持Li21Si5颗粒和碳的微细结构且组织分布均匀，这种组织结构特征可以进一步保持到块体研磨得到的微米尺度的复合材料粉体中。(3)所制备的Li21Si5/C复合材料的结构中，由于碳起到重要的保护、电荷传输和缓冲的作用，有效提高了锂离子的存储特性并缓解了负极材料在循环过程中的体积变化。而且，微米尺寸的活性物质颗粒能够保证电极单位面积和单位体积的高比容量。(4)本方法制备的新型复合材料具有优异的电化学性能：如在0.1Ag-1的电流密度下首次脱锂比容量可达到840mAhg-1，100圈循环后其比容量仍然可以保持在540mAhg-1以上，即使在1Ag-1的高倍率下，比容量仍然可以稳定在360mAhg-1。(5)本专利技术的工艺步骤中采用机械球磨和粉末冶金工艺，具有操作简单、易于控制、工艺稳定和结果重复性好等优点，可进行推广应用并有望实现规模化制备。附图说明图1为实施例1制备得到的Li21Si5的物相；图2为实施例1制备得到的Li21Si5的扫描电镜形貌图；图3为实施例1制备得到的Li21Si5/C复合材料颗粒的扫描电镜形貌图；图4为实施例1制备得到的Li21Si5/C复合材料颗粒截面的能谱分析；图5为实施例1制备得到的Li21Si5/C复合材料颗粒截面的扫描透射电子形貌图；图6为实施例1制备的纳米Li21Si5/C复合材料的首次脱锂测试和1圈、2圈、3圈的充放电循环测试结果；图7为实施例1制备的Li21Si5/C复合材料的循环性能和库伦效率；图8为实施例2制备的Li21Si5/C复合材料的循环性能和库伦效率。具体实施方式以下实施例进一步解释了本专利技术，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1将平均粒径为50纳米的硅纳米颗粒在真空条件下加热到100℃去除其吸附的气体和水分，再按照Li21Si5化合物成分配比，在氩气手套箱内称取280mg干燥好的硅纳米颗粒和308mg的锂片，放入钽坩埚中，再将硅纳米颗粒、锂片和钽坩埚移入不锈钢球磨罐中，在氩气保护的环境下，利用外加的磁力搅拌器将硅纳米颗粒和锂片在钽坩埚中进行磁力搅拌，同时将不锈钢球磨罐加热到200℃，保温9小时，由此制备得到平均颗粒尺寸约为200纳米的Li21Si5颗粒，其物相分析结果如图1所示，其显微形貌如图2所示；将上述制备的Li21Si5颗粒与质量占比为30％的乙炔黑进行球磨混合，球磨工艺为：球料比10:1，球磨转速300r/min，球磨时间15小时，制备得到细小且分布均匀的Li21Si5与碳的混合粉末；将得到的Li21Si5与碳的混合粉末进行放电等离子烧结，压力为80MPa，烧结温度为300℃，不保温，得到烧结块体，将此烧结块体研磨成微米尺度的Li21Si5/C复合材料粉体，其显微形貌如图3所示，其截面的能谱分析如图4所示，其截面的扫描透射电子形貌如图5所示。该粉体即为本实施例制备得到的富锂型负极材料，其电化学性能如图6和图7所示。实施例2将平均粒径为70纳米的硅纳米颗粒在真空条件下加热到150℃去除其吸附的气体和水分，再按照Li21Si5化合物成分配比，在氩气手套箱内称取300mg干燥好的硅纳米颗粒和330mg的锂片，放入钽坩埚中，再将硅纳米颗粒、锂片和钽坩埚移入不锈钢球磨罐中，在氩气保护的环境下，利用外加的磁力搅拌器将硅纳米颗粒和锂片在钽坩埚中进行磁力搅拌，同时将球磨罐加热到230℃，保温6小时，由此制备得到平均颗粒尺寸约为280纳米的Li21Si5颗粒；将上述制备的Li21Si5颗粒与质量占比为20％的乙炔黑进行球磨混合，球磨工艺为：球料比20:1，球磨转速500r/min，球磨时间8小时，制备得到细小且分布均匀的Li21Si5与碳的混合粉末；将得到的Li21Si5与碳的混合粉末进行放电等离子烧结，压力为60MPa，烧结温度为200℃，不保温，得到烧结块体，将此烧结块体研磨成微米尺度的Li21Si5/C复合材料粉体，该粉体即为本实施例制备得到的富锂型负极材料，其电化学性能如图8所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Li21Si5/C复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)首先将硅纳米颗粒在真空条件下加热到100‑150℃以去除其吸附的气体和水分，再按照Li21Si5化合物成分摩尔配比，在氩气手套箱内称取一定质量比的硅纳米颗粒和锂片，放入钽坩埚中，再将硅纳米颗粒、锂片和钽坩埚移入不锈钢球磨罐中，在氩气保护的环境下，利用外加的磁力搅拌器将硅纳米颗粒和锂片在钽坩埚中进行磁力搅拌，同时将不锈钢球磨罐加热到200‑230℃，保温6‑9小时，由此制备得到平均颗粒尺寸为100～280纳米的Li21Si5颗粒；(2)将步骤(1)制备的Li21Si5颗粒与乙炔黑进行球磨混合，球磨工艺为：球料比10‑20:1，球磨转速300‑500r/min，球磨时间8‑15小时，制备得到细小且分布均匀的Li21Si5与碳的混合粉末；(3)将步骤(2)制备的Li21Si5与碳的混合粉末利用放电等离子烧结方法制备成致密块体，放电等离子烧结工艺为：烧结压力为60‑80MPa，烧结温度200‑300℃，不保温，将烧结得到的块体研磨成微米尺度的Li21Si5/C复合材料粉体，该粉体即为本专利技术制备的富锂型负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种Li21Si5/C复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)首先将硅纳米颗粒在真空条件下加热到100-150℃以去除其吸附的气体和水分，再按照Li21Si5化合物成分摩尔配比，在氩气手套箱内称取一定质量比的硅纳米颗粒和锂片，放入钽坩埚中，再将硅纳米颗粒、锂片和钽坩埚移入不锈钢球磨罐中，在氩气保护的环境下，利用外加的磁力搅拌器将硅纳米颗粒和锂片在钽坩埚中进行磁力搅拌，同时将不锈钢球磨罐加热到200-230℃，保温6-9小时，由此制备得到平均颗粒尺寸为100～280纳米的Li21Si5颗粒；(2)将步骤(1)制备的Li21Si5颗粒与乙炔黑进行球磨混合，球磨工艺为：球料比10-20:1，球磨转速300-500r/min，球磨时间8-15小时，制备得到细小且分布均匀的Li21Si5与碳的混合粉末；(3)将步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓艳，杨科，侯超，刘雪梅，王海滨，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11