一种提高硅基负极材料电化学性能的方法与流程

本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及一种提高硅基负极材料电化学性能的方法。

背景技术：

近年来，全球在新能源领域急速发展，其中锂离子电池由于其能量密度高、循环性能好、功率密度高等优点在消费类以及动力电池领域得到了广泛的应用。追求高能量密度是目前锂离子电池发展的一个重要方向。目前，常见的石墨负极材料理论容量为372mah/g，其能量密度相对较低；而硅的理论容量可达4200mah/g，且硅在地球上的储量丰富，因此成为新一代锂离子电池负极材料的研究热点。但由于硅为半导体材料，其电子导电性低于石墨，在现有的解决方案中，主要采用碳包覆来提高硅材料的导电性，也有少部分通过掺杂来提高其电子导电性。此外硅基负极材料尤其氧化亚硅的首周不可逆锂损失较大，影响了硅基负极材料的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种能够提高硅基负极材料的导电性能的方法，且对硅基负极材料首效有一定的提升作用。该方法工艺简单、成本可控、适合大规模生产。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现。

一种提高硅基负极材料电化学性能的方法，先将纳米硅基材料与锂盐进行混合均匀；在保护气氛下，对上述混合物进行热处理得复合纳米硅基材料；所述锂盐为硼族元素锂盐或氮族元素锂盐。

进一步方案，所述的纳米硅基材料为纯纳米硅粉或氧化亚硅纳米颗粒。

进一步方案，所述的锂盐包括硝酸锂、硼酸锂、偏铝酸锂、镓酸锂、偏铟酸锂、磷酸锂、磷酸二氢锂、砷酸锂、锑酸锂或锂铋磷酸盐。

进一步方案，所述锂盐质量占混合物总质量的0.1％-10％。

进一步方案，所述混合均匀是将纳米硅基材料置于锂盐溶液中搅拌混合，并进行干燥处理；或是将纳米硅基材料与纳米级锂盐粉体直接进行干混。

进一步方案，所述热处理的温度为200-1300℃、时间为30-600min。

所述保护气氛为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。

本发明具有如下技术优点。

(1)由于硅的电子导电性很差，通过硼族或氮族元素掺杂可提高硅基材料的导电性。

(2)由于氧化亚硅首次嵌锂时，其中的氧元素会与活性锂发生不可逆反应，造成硅基负极首效降低。而通过硼族元素锂盐或氮族元素锂盐的掺杂处理，不仅可以提高硅基材料导电性，其锂盐中的锂会与氧化亚硅中的氧会发生反应，从而降低首次不可逆锂的损失，对氧化亚硅的首次库伦效率有一定的提升。

(3)该方法工艺简单、适合大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中纳米氧化亚硅在处理前、后作为电池负极材料的电池的循环性能对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

将纳米氧化亚硅与磷酸锂按质量比为0.98：0.02的配比在酒精体系中搅拌混合，其固含量为50％，搅拌时间为100min，搅拌温度为室温25℃；然后利用油浴锅进行动态干燥，干燥温度为80℃。然后在氮气氛下，将上述混合后的硅基材料进行热处理，烧结温度为400℃，烧结时间为120min。

本方法得到的氧化亚硅材料电子导电率为2×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近3％。

将本实施例制备的复合氧化亚硅材料和未经处理的纳米氧化亚硅作为扣式电池负极材料进行扣电测试，其中负极中活性物质比例为20％。在不同充放电倍率0.1c、0.5c、1c下电池容量保持率的变化如图1所示(图中每个充放电倍率下都做了三次重复试验，共有三个数据)。从图1可看出，本发明制备的复合氧化亚硅材料放电性能相比未处理的氧化亚硅材料高，分别从95.7％、89.2％、80.5％提高到98.3％、93.4％、86.1％。

实施例2

将纳米氧化亚硅粉与纳米级硼酸锂按质量比为0.95：0.05的配比进行干混，时间为150min。然后在氦气氛下，将上述混合后的硅基材料进行热处理，烧结温度为500℃，烧结时间为300min。

将烧结得到的复合氧化亚硅材料进行扣电测试，活性物质比例为20％。本方法得到的材料电子导电率为5×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近5％。

实施例3

将纳米硅粉与偏铝酸锂按质量比为0.995：0.005的在去离子水中混合搅拌，固含量为40％，搅拌时间为200min，后在70℃进行动态干燥。然后在氩气氛下，将上述混合后的硅基材料进行热处理，烧结温度为800℃，烧结时间为200min。

将烧结得到的复合硅材料进行扣电测试，活性物质比例为20％。本方法得到的材料电子导电率为3×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近2％。

实施例4

将纳米硅粉与纳米级镓酸锂按质量比为0.92：0.08的配比进行干混，时间为30min。然后在氮气氛下，将上述混合后的硅基材料进行热处理，烧结温度为1200℃，烧结时间为500min。

将烧结得到的复合硅材料进行扣电测试，活性物质比例为20％。本方法得到的材料电子导电率为7×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近6％。

实施例5

将纳米氧化亚硅粉与锑酸锂按质量比为0.9：0.1的配比在酒精体系中进行搅拌，固含量为40％，时间为300min，然后对混合后的硅粉进行抽滤、烘干。在氮气氛下进行热处理，烧结温度为200℃，烧结时间为30min。

将烧结得到的复合氧化亚硅材料进行扣电测试，活性物质比例为20％。本方法得到的材料电子导电率为8×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近8％。

实施例6

将纳米氧化亚硅粉与纳米级硝酸锂按质量比为0.999：0.001的配比进行干混，时间为60min。然后在氮气氛下，将上述混合后的硅基材料进行热处理，烧结温度为1300℃，烧结时间为600min。

将烧结得到的复合氧化亚硅材料进行扣电测试，活性物质比例为20％。本方法得到的材料电子导电率为4×10³s/cm，且首效相比未进行处理的材料提高了近3％。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方法。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种提高硅基负极材料电化学性能的方法，先将纳米硅基材料与锂盐进行混合均匀；在保护气氛下，对上述混合物进行热处理得复合纳米硅基材料；所述锂盐为硼族元素锂盐或氮族元素锂盐。本发明不仅能够提高硅基材料的导电性，同时对硅基材料的首次库伦效率有一定的提升作用；且工艺简单，适合大规模生产，有望在锂离子电池领域得到很好的实际应用。

技术研发人员：樊少娟;杨立铭;王辉
受保护的技术使用者：合肥国轩高科动力能源有限公司
技术研发日：2017.07.01
技术公布日：2017.09.29