基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末及电极制备方法技术

基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末及电极制备方法，1)在热板上将锂源放置于平铺的硅粉边缘，确保物理接触；2)通过限制硅粉的平铺厚度来调控反应场的温度分布，进而限制热触发锂硅自发反应方向，合成Li

【技术实现步骤摘要】
基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末及电极制备方法


[0001]本专利技术涉及硅基负极材料领域，尤其涉及基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末及电极制备方法。

技术介绍

[0002]随着高容量、高功率用电端的普及与应用，高比能电极得到了广泛的研究与产业尝试。其中，硅基高比能电极走在了产业化的最前端，然而其依旧存在低首效、正极匹配困难的限制。
[0003]为此，对硅基材料预锂化与富锂研究成为了一种极具竞争力的策略。通过与锂源的直接接触锂化或者锂化物的直接加入，研究人员做出了很多突破性的尝试。锂硅合金的制备通常采用电阻加热、高能球磨等方法。如通过将锂源坩埚加热，加入纳米硅粉搅拌混合的方式制备了克级的锂硅合金；或通过正己烷作为润滑剂，将锂粉与硅粉加入的高能球磨罐中球磨制备锂硅合金。理想情况下，摩尔配比的锂源与硅粉热反应，会完全生成锂硅合金粉末，其反应速度极快，且只受两者的物理接触和反应温度控制。然而，热触发的锂硅反应方向存在无序性，在锂硅合金的大批量制备过程中，由于硅粉的导热能力不佳，摩尔配比的锂源还存在着低温区(<180℃)易凝固、高温区过量等问题，它们不仅会将生成的锂硅合金粘黏，形成超大颗粒团聚体，还会消耗有限的锂源，导致硅粉过剩，阻碍锂硅合金粉体的快速、批量制备。同时，锂硅合金的高反应性等问题使得传统的N
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甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂无法与之兼容，极大的限制了锂硅合金电极的制备。因此，开发一种快速、批量制备锂硅合金粉体及其电极的方法，对硅负极的性能提升和商业化应用有着重要意义。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末及电极制备方法，通过调控热触发反应方向，进而快速、批量制备锂硅合金粉末，并合成高首效电极。
[0005]在热板法加热过程中，温度梯度与反应硅粉厚度成负相关。通过控制平铺硅粉的厚度，构建反应场最低局域温度&gt;180℃的温度场，控制锂硅自发反应的方向往平面触发，避免摩尔配比(Li
4.1
Si)下的锂源出现低温固化和局部过量的问题，达到理论情况下的均匀锂化、完全锂化的目的，进而快速、批量的制备锂硅合金粉末。同时与非极性溶剂DOL、粘结剂PEO等混合搅拌，涂布干燥后得到含有Li
4.1
Si的电极。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)形成物理接触：在水氧含量均不高于0.1ppm的手套箱内，将硅粉均匀平铺在热板上，锂源放置于硅粉边缘，并形成物理接触；
[0009]2)反应场温度调控：通过限制硅粉的平铺厚度来调控反应场的温度分布，热板加热后，热触发锂硅的自发反应，即得到Li
4.1
Si合金。
[0010]所述热板选用铝基或铁基加热平台。
[0011]本专利技术中，反应场的温度为180～600℃。
[0012]所述硅粉的粒径范围为30nm～100μm。
[0013]所述硅粉的平铺厚度为h≤3.5cm。
[0014]所述锂源选用商业锂片、锂带或锂锭，所述锂源可放置于硅粉边缘的一处或几处。
[0015]一种电极的制备方法：在水氧含量均不高于0.1ppm的手套箱，采用二氧戊环(DOL)作为溶剂，聚氧化乙烯(PEO)作为粘结剂，高导电材料作为导电剂，打浆涂布制备含有活性物质的电极；所述活性物质至少包括所述Li
4.1
Si合金，可以是纯Li
4.1
Si粉末，也可以是Li
4.1
Si粉末与石墨/硅粉的一种或几种。
[0016]所高导电材料包括SP、CNTs中的至少一种。
[0017]按质量比计，所述活性物质:PEO:导电剂＝(0.6～0.95):(0.05～0.15):(0.05～0.25)。
[0018]按质量比计，固液比为0.1～0.7。
[0019]相对于现有技术，本专利技术技术方案取得的有益效果是：
[0020]1、本专利技术中，热触发的锂硅自发反应速度快，可以快速批量制备突破克级的锂硅合金粉末，且制备的规模可以随着热板尺寸扩大而扩大。
[0021]2、本专利技术中，得益于反应方向的调控，反应产物中的锂源被充分利用，没有多余的锂，无需后续碎化处理，可直接得到锂硅合金粉末。
[0022]3、DOL极易溶解于PEO，同时可以保持Li
4.1
Si的电化学活性，浆料在室温下易挥发，益于快速制备含有Li
4.1
Si的电极。
附图说明
[0023]图1为本专利技术采用的热板法制备锂硅合金的俯视示意图；
[0024]图2为本专利技术采用的热板法制备锂硅合金的主视示意图；
[0025]图3为本专利技术实施例1中制备的锂硅合金的XRD图；
[0026]图4为本专利技术实施例1中制备的锂硅合金的SEM图；
[0027]图5为本专利技术实施例1中制备的电极的首次充放电曲线图；
[0028]图6为本专利技术实施例2中制备的锂硅合金的TEM图；
[0029]图7为本专利技术实施例3中制备的锂硅合金的SEM图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术做进一步详细说明。
[0031]实施例1
[0032]1)形成物理接触：在水氧含量均≤0.1ppm的手套箱内，将20g硅粉(1μm)均匀平铺在10
×
10cm的热板中间，形成的硅粉面积为7
×
7cm，h＝2.1cm。20.30g锂片放置于硅粉边缘，并形成物理接触，如图1～2所示。
[0033]2)反应场温度调控：采用手持热成像仪对平铺硅粉的正面与侧面进行热成像记录，热板加热到350℃后，热接触触发锂硅自发反应，1min后反应结束，反应产物面积为7.5
×
7.9cm，h＝2.4cm，此时锂硅合金粉末最上层温度为185.7℃。
[0034]参见图3，通过XRD测试得到产物为Li
4.1
Si。参见图4为反应前后的SEM图，得到的锂硅合金出现球形化现象，膨胀后的粒径分布均匀。
[0035]3)电极制备：在水氧含量均低于0.1ppm的手套箱内，取0.5g的Li
4.1
Si作为活性材料，50mg的PEO作为粘结剂，50mg的SP作为导电剂，5mL的DOL作为溶剂，混合均匀后装入透明容器，并且封口，磁力搅拌12h；然后将搅拌完成后的浆料刮涂于铜箔上，静止30min后即得到电极极片。
[0036]将得到的电极与锂片一起组装成半电池，采用蓝电测试仪在0.2A/g的电流密度下进行先充后放测试，计算ICE。如图5所示，该电池的ICE为99.78％。表明该方法制备的电极拥有优异的电化学活本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)形成物理接触：在水氧含量均不高于0.1ppm的手套箱内，将硅粉均匀平铺在热板上，锂源放置于硅粉边缘，并形成物理接触；2)反应场温度调控：通过限制硅粉的平铺厚度来调控反应场的温度分布，热板加热后，热触发锂硅的自发反应，即得到Li
4.1
Si合金。2.如权利要求1所述的基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于：所述热板选用铝基或铁基加热平台。3.如权利要求1所述的基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于：反应场的温度为180～600℃。4.如权利要求1所述的基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于：所述硅粉的粒径范围为30nm～100μm。5.如权利要求1所述的基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于：所述硅粉的平铺厚度为h≤3.5cm。6.如权利要求1所述的基于调控热触发反应方向的锂硅合金粉末的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈松岩，张志勇，黄巍，罗林山，苏鹏飞，兰超飞，李亚辉，
申请(专利权)人：昆山厦大创新中心，
类型：发明
国别省市：