一种锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术一种锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料及其制备方法，属于锂电池负极材料技术领域，本发明专利技术提供一种高性能锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料及其制备方法，采用的技术方案为：一种锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料，由以下重量份原料构成：硅42～46份，铜50～58份，铝5～15份，杂质0～3份；所述的合金纳米材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm，本发明专利技术可应用到锂电池负极材料技术领域。

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Copper aluminum silicon alloy nano cathode material and a preparation method of the invention is a lithium battery, which belongs to the technical field of lithium battery cathode materials, the invention provides a copper aluminum alloy silicon nano anode material and preparation method of a high performance lithium battery, which adopts the technical proposal as follows: copper aluminum silicon nano alloy cathode material of lithium battery, consists of the following parts by weight of raw materials: silicon 42~46, copper 50~58, aluminum 5~15 copies, 0~3 copies of impurities; alloy nano materials including the whole: defects of organization structure porosity, shrinkage, dislocation, vacancy and hole, particle size less than or equal to 80 m, the invention can be applied to the technical field of lithium battery cathode materials.

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法
本专利技术一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法，属于锂电池负极材料

技术介绍
新材料和清洁能源都是国家层面的重点发展方向，锂离子电池是目前储能技术中应用最广泛的储能电芯，提高电芯能量存储密度是全世界追求的目标，电芯能量密度的提高主要依赖于其正、负极材料的发展进步，但也与锂离子电池的正负极集流体、正负极粘结剂、电解液和隔膜等材料的进步有关。锂离子电池的核心部分是正、负极电极材料，它直接决定着电池的使用性能。能量密度、循环寿命、循环效率和安全性能都是电极材料的关键指标。目前，最常见的商业锂电池负极材料主要是碳类和硅碳类材料，它们具有较稳定的循环性能、较高的循环效率和安全无污染等优点，但碳类材料的容量己经接近其理论容量（372mAh/g)，比容量的开发潜力小；硅碳类材料是对碳类材料的革新，在碳类材料中加入3～15%的硅使负极材料的克容量达到420mAh上下，通过该方法继续提高克容量存在技术壁垒。纯硅的理论储锂比容量为4200mAh/g，在所有元素中它最高，它作为负极材料可以大幅度提高电池的能量密度，但其循环寿命和循环效率远比碳材料要差，在锂化和去锂化过程中体积变化巨大（>300%）是导致其循环寿命差的主要原因，硅的导电性差是其循环效率低的原因之一，硅的比表面积越大，其循环效率也会越低。如何有效解决硅负极材料的循环寿命短和循环效率低问题是两大世界难题，至今没有可行的技术方案。在纳米硅颗粒表面包覆碳、石墨烯、钛等技术都没有使问题得到根本解决，即使在实验室取得了较好的研究结果，也没有办法将其应用于实际生产。目前现有技术存在用硅作为负极材料使用时的主要问题：循环寿命短，首周效率低和充放电时间长。本专利技术合金成分设计与微观组织结构独特，雾化所得合金粉末的粒度分布合理，能满足锂离子电池涂布需求，同时本专利技术做成的锂电池性能优越，具有循环寿命长，首周效率高和充放电时间短的特点。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术的不足，提供一种高性能锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，由以下重量份原料构成：硅42～46份，铜50～58份，铝5～15份，杂质0～3份；所述的合金纳米负极材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm。进一步的，所述的杂质为：钛，钴，镍，锰，铁，硼，磷，碳的任意种的混合。一种制备锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料的方法，包括：配料步骤；熔炼步骤；制粉步骤；分离和筛选步骤；真空干燥步骤，其特征在于：所述的熔炼步骤包括：感应加热，熔炼时间20～30min，达到熔融态，出炉温度为1600±50℃。进一步的，所述的水雾化制粉如下：第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1600±50℃时，使得炉料成熔融态；开始向中间包中浇入液体金属，调节水雾化压力300～450Mpa，进行水雾化制粉。进一步的，所述的制粉步骤为气雾化制粉，所述的气雾化制粉如下：第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1600±50℃时，开始向中间包中浇入液体金属，调节气雾化压力10～50Mpa，进行气雾化制粉；气源或为洁净空气，或为氩气，或为氮气。进一步的，所述的制粉步骤为超声气雾化制粉，所述的超声气雾化制粉如下:第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1600±50℃时，开始向中间包中浇入液体金属，调节超音速气流的流速为2～2.5马赫，超音速气流的脉冲频率为80～100KHz，气流压力为10～50Mpa，进行气雾化制粉，气源或为洁净空气，或为氩气，或为氮气。进一步的，在所述分离和筛选步骤后进行真空干燥后，还包括时消除应力的后处理步骤。进一步的，所述的后处理步骤为覆碳处理方法：将干燥后的铜-铝-硅合金粉末、含碳物质、水按重量份之比为=80-100:1-2:8-11，搅拌均匀后置于真空热处理炉中在600～800℃保温2～4h进行覆碳处理，随炉冷却至80℃出炉，所述含碳物质或为食用油，或为淀粉，或为蔗糖。进一步的，所述的后处理步骤为电磁振动时效方法，电磁振动频率3000～5000Hz，振动时间24-150小时。进一步的，所述的后处理步骤为热处理，热处理温度为250～500℃，时间为48～90h。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，由以下重量份原料构成：硅42～46份，铜50～58份，铝5～15份，杂质0～3份；所述的合金纳米材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm。本专利技术所用的合金成分独特，通常在硅青铜中硅含量小于5%，而本专利技术中Cu-Al-Si合金的硅含量范围约在39～46%之间，通常硅青铜使用制作铸件轧制板材、棒材，如此含硅量高的合金至今未见报道。初步检索表明，至今未发现Cu-Al-Si合金粉末的研究与生产，故本专利技术使用水/气/超声等方法雾化制作Cu-Al-Si合金粉末为原创性研究成果。雾化所得粉末的微观组织结构独特，富铜相为立体网孔结构，富硅相凝固时，依附在铜壁两侧形核和生长，富硅相的生长形貌由铜壁的结构形态所决定，通常会生长成不规则的层片状结构，单侧富硅层片的厚度在300nm左右。该合金存在大量气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，在富铜网格中心留下了大量的收缩空洞，空的网孔和大量的收缩缺陷，它们可部分抵消硅在充放电过程中的体积膨胀，富铜立体网格是控制硅在充放电过程中的体积缩胀的主要结构，同时，铜网格还具有良好的导电性，有利于纳米硅层片脱嵌锂过程的进行。铝主要分布于微米颗粒表面，它既可有效地防止富铜相的氧化，又可有效地减小颗粒的比表面积，铝可少量固溶于富铜相中，从而提高富铜网格的力学强度与弹性变形能力。另一部分铝和硅之间可以形成铝硅共晶，有利于富硅相的纳米化，故在微观组织中也可以观察到粒状纳米富硅相，铝也可以作为负极材料来使用，它的理论克容量为2234mAh/g，故对提高克容量也会有一定贡献。该粉末具有高克容量、高首周效率、高稳定循环效率和较好的快充效果。此外，该粉末合金化时，使用了铜和铝，在锂离子电池中，铜箔被用作负极集流体，铝箔被用作正极集流体，实际使用证明，铜箔和铝箔没有产生不良副反应，故合金化过程中，使用铜和铝作为合金元素也不会有副反应发生。通常热处理的应用对象为金属结构件，对各种金属粉末进行热处理很少见。由于该粉末是由水雾化快速凝固所形成，其内部存在着较大的淬火应力，该应力会导致锂离子电池循环稳定性变差，故需要采用适当的时效手段加以处理，以提高粉末结构的稳定性，这也是本专利技术的独特之处。本专利技术合金成分设计与微观组织结构独特，雾化所得合金粉末的粒度分布合理，能满足锂离子电池涂布需求；振实密度与石墨负极材料接近；比表面积只有石墨负极材料的一半左右；克容量是石墨负极材料的1.5～2.8倍；本专利技术铜铝硅合金粉末的首周效率与石墨的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料，其特征在于：由以下重量份原料构成：硅42～46份，铜50～58份，铝5～15份，杂质0～3份；所述的合金纳米负极材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm。

【技术特征摘要】
1.一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，其特征在于：由以下重量份原料构成：硅42～46份，铜50～58份，铝5～15份，杂质0～3份；所述的合金纳米负极材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm。2.根据权利要求1所述的一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，其特征在于所述的杂质为：钛，钴，镍，锰，铁，硼，磷，碳的任意种混合。3.一种制备如权利要求1或2所述的锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料的方法，包括：配料步骤；熔炼步骤；制粉步骤；分离和筛选步骤；真空干燥步骤，其特征在于：所述的熔炼步骤包括：感应加热，熔炼时间20～30min，达到熔融态，出炉温度为1600±50℃。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：制粉步骤为水雾化制粉，所述的水雾化制粉如下：第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1600±50℃时，使得炉料成熔融态；开始向中间包中浇入液体金属，调节水雾化压力300～450Mpa，进行水雾化制粉。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：制粉步骤为气雾化制粉，所述的气雾化制粉如下：第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1600±50℃，开始向中间包中浇入液体金属，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宥宏，刘忆恩，
申请(专利权)人：山西沃特海默新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14