一种负极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种负极材料及其制备方法与应用。所述负极材料为核壳结构，所述壳的材料包括若干纳米硅颗粒，所述核的材料包括Si和Mg

【技术实现步骤摘要】
一种负极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电池
，特别涉及一种负极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]氧化亚硅(SiO
x
)材料具有高的理论比容量(2000mAhg
‑1)，低的脱/嵌锂电位(0.3V Vs Li
+
/Li)，是一种极具应用前景的下一代高能量密度锂离子负极材料。但是，在首次锂离子嵌入过程中，SiO
x
内部的非晶SiO2组分会转变为电化学惰性的Li2SiO3，Li4SiO4和Li2O等，消耗电池中的锂离子，造成不可逆容量损失和低的首次库伦效率(ICE，50％)。
[0003]引入额外的锂源来弥补材料中的锂离子消耗是解决不可逆锂损失的主要方法，其中预锂化是一种在电池装配前将SiO
x
中的SiO2转化为非化学活性的Li4SiO4，Li2SiO3，Li2SiO5和Li2O，以提高SiO
x
的ICE且不影响电池的整体循环性的策略。这种方法虽然十分有效，但是无论是化学预锂化方法还是电化学预锂方法，其过程都涉及到使用高化学活性的金属锂或含锂化合物，这就使得所有制备流程必须在低水、氧含量极端环境中进行，这严重阻碍了SiO
x
的商业化应用。近年来，预镁化作为预锂化的替代方法，得到了广泛的研究。预镁化是将Mg及含Mg化合物与SiO
x
中的SiO2反应形成电化学惰性的Mg
x
SiO
y
，该方法相对预锂化，反应相对温和，成本较低，因而受到了更广泛的关注。目前的预镁化工艺主要是将Mg或者Mg合金，通过加压热蒸发分解产生的Mg蒸汽与SiO2和Si颗粒进行反应，制备得到Mg掺杂的SiO
x
。这种方法需要在高温同时加压条件下进行(>1300℃，<10Pa)，这不仅增加了生产成本，而且带来安全性风险。因此，亟待开发一种低成本、安全预镁化的工艺。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决上述技术问题提供一种低成本且安全的负极材料及其制备方法与应用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种负极材料，所述负极材料为核壳结构，所述壳的材料包括若干纳米硅颗粒，所述核的材料包括Si和Mg
x
SiO
y
。
[0007]所述的负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将氧化亚硅粉体和硅化镁粉体搅拌混合，得到均匀的混合粉末A；
[0009]将所述混合粉末A在惰性气氛且常压下，快速升温至1080
‑
1800℃进行热处理，得到所述负极材料。
[0010]优选的，热处理的升温速率为10
‑
200℃/s，热处理的反应时间为0.1
‑
8小时。
[0011]优选的，所述氧化亚硅粉体和硅化镁粉体的质量比为99:1
‑
60:40。
[0012]优选的，所述惰性气氛为氩气或氦气中的一种或者两种。
[0013]优选的，所述惰性气氛的通气速率为50
‑
200mL/min。
[0014]优选的，所述氧化亚硅粉体的粒径d
50
为0.1
‑
20μm。
[0015]优选的，所述硅化镁粉体的粒径d
50
为0.001
‑
40μm。
[0016]所述的负极材料作为锂离子电池负极材料的应用。
[0017]本专利技术的反应原理为：首先将硅化镁与氧化亚硅进行混合，之后在常压惰性气氛中快速升温至指定温度，利用硅化镁在高温下由固相转化为液相的特性，将液相的硅化镁包裹在氧化亚硅表面，同时液相的硅化镁与内部的氧化亚硅发生反应(Mg2Si+SiO
x
＝Mg
x
SiO
y
+Si)，构建出核壳结构的预镁化复合材料，该工艺在构建出高机械强度的MgSiO3占主导的硅镁氧化物的同时，额外引入硅包裹层，进一步提升材料的放电比容量。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0019](1)本方法所使用的硅化镁稳定性较高，反应过程温和，且无毒害副产物产生，具有较高的安全性。
[0020](2)该预镁化氧化亚硅负极材料制备方法，利用硅化镁在高温下液化的特性，将硅化镁包裹在氧化亚硅表面，同时硅化镁与氧化亚硅中的二氧化硅发生反应，生成稳定相的硅酸镁和硅，最终制备得到内部为Si和MgSiO3占主导的硅镁氧化物，外部为硅颗粒的核壳结构化合物，由于形成不可逆且稳定的Mg
x
SiO
y
，在首次充放电循环过程中，活性锂不再与材料中的SiO2反应从而具有较高的首次库伦效率，同时高模量的MgSiO3的形成能提升材料的机械强度，抑制材料内部电化学团聚造成的内部裂缝，提升材料的循环性能。而表面硅包裹层也能作为活性物质参与充放电，进一步提升材料的整体容量。
附图说明
[0021]图1为(a)硅化镁快速升温液化示意和(b)氧化亚硅预镁化流程图；
[0022]图2为(a)商用SiO
x
和(b)实施例2产物的SEM图；
[0023]图3为商用SiO
x
和实施例2产物的XRD图；
[0024]图4为实施例2中制备的最终产物和初始商用氧化亚硅的首次充放电曲线图；
[0025]图5为实施例3制备得到的最终产物B
‑
2的(a)XRD图谱和(b)首次充放电曲线图谱；
[0026]图6给出了本实施例4制备得到的最终产物B
‑
3的(a)XRD图谱和(b)首次充放电曲线图谱；
[0027]图7给出了本实施例5制备得到的最终产物B
‑
4的(a)XRD图谱和(b)首次充放电曲线图谱；
[0028]图8给出了本实施例6制备得到的最终产物B
‑
5的SEM图谱
[0029]图9给出了本实施例6制备得到的最终产物B
‑
6的SEM图谱
[0030]图10给出了对比例1制备得到的最终产物C
‑
1的(a，b)SEM图谱、(c)XRD图谱和(d)首次充放电曲线图谱。
具体实施方式
[0031]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，其为本专利技术实施例提供的一种负极材料，所述负极材料为核壳结构，所述壳的材料包括若干纳米硅颗粒，所述核的材料包括Si和Mg
x
SiO
y
，还包括少量的SiO
x
，其
中硅镁氧化物以MgSiO本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，所述负极材料为核壳结构，所述壳的材料包括若干纳米硅颗粒，所述核的材料包括Si和Mg
x
SiO
y
。2.如权利要求1所述的负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将氧化亚硅粉体和硅化镁粉体搅拌混合，得到均匀的混合粉末A；将所述混合粉末A在惰性气氛且常压下，快速升温至1080
‑
1800℃进行热处理，得到所述负极材料。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，热处理的升温速率为10
‑
200℃/s，热处理的反应时间为0.1
‑
8小时。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍开富，吕途安，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：