一种硅氧负极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种硅氧负极材料及其制备方法和用途。所述制备方法包括：将硅氧材料与纳米锂金属颗粒在惰性气氛下混合，依次进行常温流化、一次升温流化、二次升温流化和三次升温流化，所述二次升温流化过程中进行碳包覆，所述流化的全过程均在惰性气氛下进行；得到所述硅氧负极材料。本发明专利技术通过流化的方法，再搭配碳包覆，有效地控制了锂金属的掺杂过程，有效地控制了硅氧颗粒内部硅晶粒尺寸的长大，从而得到了具有高首效、长循环寿命的硅氧负极材料。料。

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧负极材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种硅氧负极材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]锂离子电池在新能源领域具有广泛的应用，石墨作为锂离子电池中应用最广泛的负极材料具有稳定的电压平台与长循环稳定特性，但是材料的理论容量仅为372mAh/g，无法满足人类对高能量密度储能期间的需求。硅基负极材料以其超高的比容量成为未来最具发展潜力的一种负极材料，但是纯硅材料的体积膨胀较大，而硅氧材料因其特殊的结构特性，能够在一定程度上面缓解材料的体积膨胀问题。硅氧材料的主要结构为硅纳米晶粒弥散在二氧化硅，在首次充放电过程中，二氧化硅会消耗锂盐，从而导致材料的首效降低，因此如何提升硅氧材料的首效至关重要。预掺杂锂的技术可以在前期处理的过程中，以预先补锂的方式，实现锂与二氧化硅材料的预先反应，形成硅酸锂盐，从而减弱电池循环过程中，在初次放电过程中的不可逆锂盐消耗。但是锂的掺杂难度较大，这主要是因为锂金属的空气稳定性较差，在空气中极易被氧化，形成氧化锂、碳酸锂等。
[0003]高首效硅氧材料具有重要的应用前景，但是利用锂金属进行硅氧材料的掺杂过程会造成材料的局部过热现象发生，从而会导致硅氧内部掺杂的不均匀性，造成硅氧颗粒内部大的硅晶粒尺寸的增加，会导致材料的循环性能变差。
[0004]CN106848270A公开了一种负极补锂浆料、负极及锂二次电池，该专利技术的负极补锂浆料，包括金属锂粉及预聚体，其预聚体作为补锂用粘结剂，其制作过程简单，且使用成本低；使用该预聚体进行的补锂方法操作简单，成本低，补锂量易控制。但是，在电池使用时，需要紫外光照或加热等条件使预聚体产生聚合反应来发挥预聚体的作用，操作复杂，经补锂后的锂离子电池的首次充放电效率和放电容量有待进一步提高。
[0005]CN102916165A公开了一种向锂离子电池负极片补锂的方法，通过将有机锂溶液喷洒或滴加于负极片的表面，使有机锂溶液中的锂离子还原得到金属锂，实现负极补锂。有机锂的试剂比较昂贵，需要加入比金属锂还原性更强的物质才能将锂离子还原成金属锂，增加了成本，并且补锂的工艺路线复杂。
[0006]CN104993098A公开了一种补锂负极片及其制备方法、锂离子超级电容器、锂离子电池，属于储能器件
，采用锂粉做为负极补锂的锂源，锂粉颗粒小，颗粒粒径微米级，操作时存在颗粒到处飞的现象，对操作环境要求很严格，存在安全隐患。
[0007]因此，如何通过掺杂锂提高硅氧负极材料的电化学性能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅氧负极材料及其制备方法和用途。本专利技术通过流化的方法，再搭配碳包覆，有效地控制了锂金属的掺杂过程，有效地控制了硅氧颗粒内部硅晶粒尺寸的长大，从而得到了具有高首效、长循环寿命的硅氧负极材料。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种硅氧负极材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0011]将硅氧材料与纳米锂金属颗粒在惰性气氛下混合，依次进行常温流化、一次升温流化、二次升温流化和三次升温流化，所述二次升温流化过程中进行碳包覆，所述流化的全过程均在惰性气氛下进行；得到所述硅氧负极材料。
[0012]本专利技术所指的常温流化中的常温为温度在20～40℃范围内，例如20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等。
[0013]本专利技术通过流化的方法，有效地控制了锂金属的掺杂过程，有效地控制了硅氧颗粒内部硅晶粒尺寸的长大，从而得到了具有高首效、长循环寿命的硅氧负极材料。
[0014]本专利技术通过常温流化过使得具有纳米粒径的金属锂颗粒在不断运动的过程中，与硅氧颗粒不断接触，从而保证锂金属颗粒通过静电吸附作用，有效的均匀吸附在硅氧颗粒表面；通过一次升温流化，吸附在硅氧颗粒表面的纳米锂金属颗粒会逐步融化，在硅氧颗粒表面形成薄薄的锂金属膜层结构，增加锂金属与硅氧颗粒的接触面积；在此基础上进一步升温流化的同时进行碳包覆，在这一过程中，锂金属及硅氧颗粒材料可以有效促进碳层的沉积过程，这样的催化过程可以完全保证碳层的有效沉积，得到均匀的碳包覆层；最后继续升温进行流化，这一过程中锂金属颗粒与硅氧材料实现均匀掺杂，由于金属锂与硅氧颗粒的接触呈现均匀状态，可以有效防止锂金属与硅氧颗粒反应的局部过热问题，有效实现锂金属的掺杂，并且，碳层物质的有效保护，可以有效保证颗粒在空气中的稳定性，最终得到高首效、高容量且长循环寿命的硅氧负极材料。
[0015]本专利技术中，硅氧材料的主要结构为硅纳米晶粒弥散在二氧化硅，硅纳米晶粒为硅氧材料在加热过程中，由氧化亚硅材料歧化而得，热的作用越强烈，其歧化的效果越厉害，从而会导致硅纳米颗粒的晶粒尺寸越大。
[0016]本专利技术中，锂金属颗粒的中值粒径如果不在纳米范围内，会导致后期材料反应过程中，大颗粒的锂金属颗粒反应不完全，造成锂金属材料的浪费，同时，纳米锂金属的使用，可以保证锂金属与硅氧材料在后期歧化过程中的热反应可控，不会造成局部过热现象，从而保证硅氧材料掺杂的有效性。
[0017]本专利技术中，无论是混合过程还是流化过程，均要在惰性气氛下进行，例如氦气气氛、氖气气氛、氩气气氛、氪气气氛或氙气气氛等，如果是非惰性气氛，如氮气气氛，会与锂进行反应，造成物质消耗。
[0018]优选地，所述硅氧材料的中值粒径为3～15μm，例如3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等。
[0019]优选地，所述纳米锂金属颗粒的中值粒径为5～50nm，例如5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm或50nm等。
[0020]本专利技术中，纳米锂金属颗粒的中值粒径过大，不利于锂金属的缓慢掺杂，否则会导致材料的反应速度过快，导致硅晶粒的长大。
[0021]优选地，所述硅氧材料与纳米锂金属颗粒的质量比为100:(1～20)，例如100:1、100:5、100:10、100:15或100:20等。
[0022]本专利技术中，纳米锂金属颗粒过多，会造成过多的锂金属反应，导致硅氧材料的掺杂反应剧烈进行，同时，锂金属材料的价格较贵，过多的锂金属加入会导致反应不完全的锂金
属残余过多。。
[0023]优选地，所述常温流化的时间为1～5h，例如1h、2h、3h、4h或5h等。
[0024]优选地，所述一次升温流化的温度为150～300℃，例如150℃、200℃、250℃或300℃等。
[0025]优选地，所述一次升温流化的时间为1～5h，例如1h、2h、3h、4h或5h等。
[0026]优选地，所述二次升温流化的温度为500～800℃，例如500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃等。
[0027]优选地，所述二次升温流化的时间为1～10h，例如1h、2h、3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将硅氧材料与纳米锂金属颗粒在惰性气氛下混合，依次进行常温流化、一次升温流化、二次升温流化和三次升温流化，所述二次升温流化过程中进行碳包覆，所述流化的全过程均在惰性气氛下进行；得到所述硅氧负极材料。2.根据权利要求1所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅氧材料的中值粒径为3～15μm；优选地，所述纳米锂金属颗粒的中值粒径为5～50nm。3.根据权利要求1或2所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅氧材料与纳米锂金属颗粒的质量比为100:(1～20)。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，优选地，所述常温流化的时间为1～5h。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，所述一次升温流化的温度为150～300℃；优选地，所述一次升温流化的时间为1～5h。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，所述二次升温流化的温度为500～800℃；优选地，所述二次升温流化的时间为1～10h；优选地，以所述硅氧材料的质量为100％计，所述碳包覆后的碳包覆层的质量为3～5％；优选地，所述二次升温流化过程中的碳包覆包括气相碳包覆和/或液相碳包覆；优选地，所述气相碳包覆中的碳源包括乙炔、乙烯、丙烯、丙烷、乙烷或甲烷中的任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东海，王志勇，
申请(专利权)人：湖南中科星城石墨有限公司，
类型：发明
国别省市：