一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法，包括以下步骤：（1）配料：获取氧化亚硅负粉体，所述氧化亚硅粉体为未经歧化处理的氧化亚硅粉体；获取氧化锂粉体，所述氧化锂粉体为分析纯、无水的氧化锂粉体；获取氧化镁粉体，所述氧化镁粉体为分析纯;（2）混料：将所述氧化亚硅粉体、氧化锂粉体和氧化镁粉体按照一定比例加入到混料机中常温下搅拌混合，得到均匀的混合粉末A；（3）热处理：将步骤（2）中混合粉末A在惰性气体下进行热处理反应，得到中间产物B；（4）CVD碳包覆：通过化学气相沉积法将步骤（3）中得到的中间产物B在碳源气体下进行碳包覆，制得的产物具有较高的首次库伦效率、良好的循环稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电池负极材料技术领域，尤其涉及一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前锂离子电池（LIBs）现今已在动力能源领域获得了广泛的应用，硅基材料具备极高的锂储存容量，被认为是最有前途代替石墨负极或其他碳负极的材料。但其在脱嵌锂过程中会导致硅基负极较大的体积膨胀，同时易形成SEI膜反复生长，也会造成活性锂在首次充放电循环中大量损失，导致了不可逆容量，循环性能较差。在硅基材料中， SiO体积膨胀较小，理论容量达1200mA h g

硕士论文“锂电池负极材料钛酸锂的改性及其容量衰减机理的探究”第五章中以硅酸镁锂改性LTO，将硅酸镁锂与LTO在水溶液体系中混合并在700℃烧结5h，硅酸镁锂中的镁和硅元素掺杂能够提高电子的电导率和阳离子交换能力，从而提升锂离子传递效率。说明硅酸镁锂在其他负极中的应用也十分广泛，以硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极，不仅能够提升首次库伦效率，也能提高氧化亚硅的电导率和锂离子的传输效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料及其制备方法和应用，其制得的产物具有较高的首次库伦效率、良好的循环稳定性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明的技术方案提供了一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法，包括以下步骤：

（1）配料：获取氧化亚硅负粉体，所述氧化亚硅粉体为未经歧化处理的氧化亚硅粉体；获取氧化锂粉体，所述氧化锂粉体为分析纯、无水的氧化锂粉体；获取氧化镁粉体，所述氧化镁粉体为分析纯；

（2）混料：将所述氧化亚硅粉体、氧化锂粉体和氧化镁粉体按照一定比例加入到混料机中常温下搅拌混合，得到均匀的混合粉末A；

（3）热处理：将步骤（2）中混合粉末A在惰性气体下进行热处理反应，得到中间产物B；

（4）CVD碳包覆：通过化学气相沉积法将步骤（3）中得到的中间产物B在碳源气体下进行碳包覆，而制得硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料。

进一步地，步骤（1）中，所述氧化亚硅粉体为商用氧化亚硅粉体，粒径d

进一步地，步骤（2）中，所述氧化亚硅粉体：氧化镁粉体：氧化锂粉体的摩尔比为2：2:1–10：2:1。

进一步地，步骤（2）中，所述混料机的混料转速为200-300 rpm/min，混料时间为2小时。

进一步地，步骤（3）中，所述热处理反应的温度为1000–1300℃，反应时间为3–8小时。

进一步地，步骤（3）中，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气中的一种或者几种混合，其中，所述惰性气体的通气速率为100–200 mL/h。

进一步地，步骤（4）中，所述碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔中的一种或者几种混合。

进一步地，步骤（4）中，所述碳包覆的包覆温度为650–850℃，包覆时间为1–3小时。

第二方面，本发明的技术方案提供了一种如上述任一技术方案中所述制备方法制得的硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料。

第三方面，本发明的技术方案提供了如上述技术方案中所述的硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料作为锂离子电池负极材料的应用。

综上所述，运用本发明硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法的技术方案，至少具有如下的有益效果：该硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法，以氧化亚硅为电池负极材料，借助混合氧化锂和氧化镁预先高温热处理，将氧化亚硅中非晶态二氧化硅提前消耗并且充分反应生成稳定相硅酸锂，形成SiO/Si/ Li

为使本发明构思和其他发明目的、优点、特征及作用能更清楚易懂，将在下文具体实施方式中特举较佳实施例，并配合附图，作出详细展开说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为商用氧化亚硅的SEM图片；

图2为实施例1各步骤制备的最终产物-1(b)的XRD图谱；

图3为实施例1中制备的中间产物B-1的SEM图片；

图4为实施例1中制备的最终产物-1的SEM图片；

图5为对比例1中制备的最终产物-2的XRD 图片（a）和对比例2中制备的最终产物-3的XRD图片（b）。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例1提供一种硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法，具体包括以下步骤：

（1）取一定量商用氧化亚硅粉末、氧化镁粉体和氧化锂粉末，按照摩尔比5:2:1的比例放入混料机中，混料机转速200rpm/min，混料时间为2小时将三者混合得到均匀组分的粉末A；

（2）取10g步骤（1）得到的粉末A置于刚玉莫来石坩埚中进行热处理，通入气氛为高纯氩气，持续时间为整个升温过程和整个降温过程，升温速率为5 ℃/min，热处理温度为1200℃，保温时间为5小时，经过煅烧后得到中间产物B-1；

（3）将步骤（2）制备的中间产物B进行CVD包碳，将样品置于刚玉莫来石坩埚中，通入气氛为C

实施例2

本实施例2的制备工艺方法与实施例1中完全相同，区别仅在于步骤（1）中的氧化亚硅粉末、氧化镁粉体和氧化锂粉体的摩尔比为4:2:1。

经测试可知，产物形貌与实施例1制备的最终产物类似。

实施例3

本实施例3的制备工艺方法与实施例1中完全相同，区别仅在于步骤（1）中的氧化亚硅粉末、氧化镁粉体和氧化锂粉末的摩尔比为6:2:1。

经测试可知，产物形貌与实施例1制备的最终产物类似。

实施例4

本实施例4的制备工艺方法制备工艺与实施例1中完全相同，区别仅在于将步骤（2）中的热处理温度替换为1250℃。

经测试可知，产物形貌与实施例1制备的最终产物类似。

实施例5

本实施例5的制备工艺方法与实施例1中完全相同，区别仅在于将步骤（2）中的热处理温度替换为1300℃。

经测试可知，产物形貌与实施例1制备的最终产物类似。

图1给出了商用氧化亚硅的SEM图片，观察图1可知，商用氧化亚硅的尺寸介于2–10μm，表面较为光滑。

图2给出了本实施例1制备得到的最终产物-1的XRD图谱，观察图2可以发现，经过与碳酸锂粉末混合煅烧处理后，形成了含有Si，Li

图3给出了本实施例1的步骤（2）制备的中间产物B-1的SEM图片，观察图3可知，中间产物B-1与商用氧化亚硅尺寸保持一致，介于2–10μm，表面形成了轻微褶皱层。

图4给出了本实施例1的步骤（3）制备的最终产物-1的SEM图片，观察图4可知，最终产物-1相较于中间产物B-1尺寸并未发生明显变化，但明显观察到碳层的包覆。

对比例1

本对比例1的制备工艺方法与实施例1中完全相同，区别仅在于将步骤（1）中取用的三种粉末全部换成碳酸锂，即粉末A换成碳酸锂粉末。

图5中（a）图为本对比例1制备得到的中间产物B-2的XRD图谱，可以看出该产物并无硅酸镁锂产生。

对比例2

本对比例2的制备工艺方法与实施例1中完全相同，区别仅在于将步骤（1）中取用的三种粉末全部换成氧化锂粉体，即粉末A换成氧化锂粉末。

图5中（b）图为本对比例2制备得到的中间产物B-3的XRD图谱，可以看出该产物并无硅酸镁锂产生。

应用例

本发明所有极片制备采用炭黑（SP）作为导电剂，羧甲基纤维酸钠（CMC）作为粘结剂，与合成的活性材料按质量比为2：2：6混合溶解在去离子水和少量酒精中，磁力搅拌超过8小时，制备得到均匀分散的电池浆料待用。将电池浆料均匀涂覆于电极表面（裁切好的泡沫铜或铜箔），85℃真空干燥12小时，后压片称量待用。利用德国Labstar公司手套箱（型号Mbraun）组装得到纽扣式半电池（CR2032），对电极电化学性能进行测试。扣式半电池组装全部采用锂片作为对电极，泡沫镍片作为缓冲垫片，制作环境水氧含量分别为：水浓度< 0.5ppm，氧浓度< 1 ppm。采用的电解液成分为1M LiPF6 溶解在EC和DMC有机溶剂中。电池循环形成在新威设备上进行测试。

对比例SiO@C直接由氧化亚硅通过CVD分解碳包覆得到。

对实施例1–5，对比例1–2和对比例SiO@C制备的负极材料的首次库伦效率进行检测，检测数据如下表1所示。

表1

从表1数据可知，实施例1–5相比于对比例1–2，在充放电容量和首次库伦效率上均有所提高，相比于对比例SiO@C，首次库仑效率有所提高。

该硅酸镁锂预锂化氧化亚硅负极材料制备方法，以氧化亚硅为电池负极材料，借助混合氧化镁、碳酸锂预先高温热处理，将氧化亚硅中非晶态二氧化硅提前消耗并且充分反应生成稳定相硅酸镁锂，形成SiO/Si/Li

本发明制备方法的制作成本低廉，无须借助液相材料及设备，工艺简单可控，制备过程无有毒害物质产生，不需要除去产物中多余的金属化学物，有利于工业化大规模生产。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。