【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂金属电池领域，具体涉及一种微纳结构的锂硅合金负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、金属锂具有高理论比容量(3860mah g-1)和低氧化还原电位(-3.04v vs.标准氢电极)，是备受关注的锂电池负极材料。然而，锂金属在实际应用中面临一些挑战，包括不可控锂枝晶的形成、沉积/剥离过程中大体积变化、与电解液之间的副反应等。
2、为解决锂金属负极面临的上述问题，研究人员发展了多种改性策略。主要围绕着集流体改性、构筑稳定的电极/电解质界面、构筑锂基合金负极等方面展开。其中，锂硅合金作为锂离子电池负极材料的潜在候选者，尽管具有高容量和高能量密度的优势，但在其制备和应用中仍然存在一些挑战和不足之处。以下是一些可能的问题：(1)体积膨胀问题：锂硅合金在锂离子沉积和剥离过程中会发生显著的体积膨胀，这可能导致材料的颗粒破裂、电极失效或结构破坏。这种体积变化会引起电极材料的脱层和失活，降低电池的循环稳定性；(2)导电性能：硅是一种半导体材料，其导电性能相对较差。这会导致电极材料的电子传导性能降低，影响电池的放电和充电速率；(3)设计挑战：锂硅合金的设计需要克服其体积膨胀和电导率等问题，因此需要巧妙的结构和复合材料设计，这增加了研究和开发的难度。科学家和工程师一直在进行研究，试图通过纳米结构设计、包覆技术、合金化处理等手段来克服这些问题。
3、在这里我们提出微纳结构的锂硅合金负极材料及其制备，微纳结构的锂硅合金具有众多优点：(1)增加电极比表面积，提升交换电流密度，维持双向(净零)电流处于准平衡状态，
技术实现思路
1、基于此，本专利技术提供了一种微纳结构的锂硅合金负极材料及其制备方法和应用，以解决锂离子电池中存在的无法控制的锂枝晶形成、电极材料体积变化引起的结构问题，以及电解液中副反应导致的电解质界面层腐蚀问题。这些因素影响电池性能和寿命，亟需要通过技术改进和材料设计来解决。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种微纳结构的锂硅合金负极材料，其由li单质和li22si5组成，其中锂元素与硅元素的原子比为99.5:0.5～97.5:1.5，锂硅合金呈交联结构以形成稳定的网络骨架，晶粒尺寸在200nm～2μm之间。
3、根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供了一种微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4、(1)按原子比为99.5:0.5～97.5:1.5称量锂金属和硅混合作为原材料；
5、(2)选择具有密闭舱体的熔炼甩带设备，将称量并混合好的原材料放入熔炼甩带设备的舱体内，在氩气保护气氛下，通过加热将原材料熔融形成液态合金，然后对液态合金进行喷铸，并由铜辊按线速度为35-40m/sec进行收料；
6、(3)将步骤(2)中收料于铜辊上的产物轧制成厚度为100-300um的薄片，经裁剪，得到微纳结构的锂硅合金负极材料。
7、作为本专利技术的进一步优选技术方案，步骤(2)中，原材料由带不锈钢内衬的坩埚盛载并放入熔炼甩带设备的舱体内。
8、作为本专利技术的进一步优选技术方案，步骤(2)中，在放入原材料到舱体之后并在加热进行熔炼前，将熔炼甩带设备的舱体的真空度抽至6*10-2pa以下后，再给舱体内充氩气，以实现氩气保护气氛。
9、作为本专利技术的进一步优选技术方案，所述铜辊为单铜制转轮，厚度为50mm，直径300mm。在熔炼过程中且未喷铸时，铜辊以转速1500rpm转动；喷铸并收料时，铜辊的转速为3500rpm。
10、作为本专利技术的进一步优选技术方案，步骤(2)中，喷铸的压力为0.1-0.5mpa。
11、根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供了一种微纳结构的锂硅合金负极材料在锂金属电池中的应用。
12、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
13、本专利技术通过引入硅元素，利用熔炼甩带的快淬工艺，构筑出具有微纳结构的锂硅合金负极材料，锂硅合金表现出稳定的呈三维网络骨架的微纳结构，具有良好的结构组织，这种微纳结构提供了大比表面积，有利于提升了电极材料整体的机械强度和稳定性；该锂硅合金负极材料锂金属电池中，使电极在反应过程中处于准平衡状态，从而抑制枝晶生长和体积膨胀，提升稳定性，通过这种方法，可有效提升了锂金属电池的安全性、稳定性。
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1.一种微纳结构的锂硅合金负极材料，其特征在于，由Li单质和Li22Si5组成，其中锂元素与硅元素的原子比为99.5:0.5～97.5:1.5，锂硅合金呈交联结构以形成稳定的网络骨架，晶粒尺寸在200nm～2μm之间。
2.一种权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，原材料由带不锈钢内衬的坩埚盛载并放入熔炼甩带设备的舱体内。
4.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在放入原材料到舱体之后并在加热进行熔炼前，将熔炼甩带设备的舱体的真空度抽至6*10-2Pa以下后，再给舱体内充氩气，以实现氩气保护气氛。
5.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，所述铜辊为单铜制转轮，厚度为50mm，直径300mm。
6.根据权利要求5所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，在熔炼过程中且未喷铸时，铜辊以转速1500rp
7.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，喷铸的压力为0.1-0.5Mpa。
8.权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料，或者权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的微纳结构的锂硅合金负极材料在锂金属电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种微纳结构的锂硅合金负极材料，其特征在于，由li单质和li22si5组成，其中锂元素与硅元素的原子比为99.5:0.5～97.5:1.5，锂硅合金呈交联结构以形成稳定的网络骨架，晶粒尺寸在200nm～2μm之间。
2.一种权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，原材料由带不锈钢内衬的坩埚盛载并放入熔炼甩带设备的舱体内。
4.根据权利要求1所述的微纳结构的锂硅合金负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在放入原材料到舱体之后并在加热进行熔炼前，将熔炼甩带设备的舱体的真空度抽至6*10-2...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳霞，王晨星，王馨，张明昌，杨亚雄，潘洪革，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：
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