一種提高矽基負極材料電化學性能的方法與流程

2023-12-01 13:06:46

本發明屬於新能源材料製備技術領域，具體涉及一種提高矽基負極材料電化學性能的方法。

背景技術：

近年來，全球在新能源領域急速發展，其中鋰離子電池由於其能量密度高、循環性能好、功率密度高等優點在消費類以及動力電池領域得到了廣泛的應用。追求高能量密度是目前鋰離子電池發展的一個重要方向。目前，常見的石墨負極材料理論容量為372mah/g，其能量密度相對較低；而矽的理論容量可達4200mah/g，且矽在地球上的儲量豐富，因此成為新一代鋰離子電池負極材料的研究熱點。但由於矽為半導體材料，其電子導電性低於石墨，在現有的解決方案中，主要採用碳包覆來提高矽材料的導電性，也有少部分通過摻雜來提高其電子導電性。此外矽基負極材料尤其氧化亞矽的首周不可逆鋰損失較大，影響了矽基負極材料的應用。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種能夠提高矽基負極材料的導電性能的方法，且對矽基負極材料首效有一定的提升作用。該方法工藝簡單、成本可控、適合大規模生產。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現。

一種提高矽基負極材料電化學性能的方法，先將納米矽基材料與鋰鹽進行混合均勻；在保護氣氛下，對上述混合物進行熱處理得複合納米矽基材料；所述鋰鹽為硼族元素鋰鹽或氮族元素鋰鹽。

進一步方案，所述的納米矽基材料為純納米矽粉或氧化亞矽納米顆粒。

進一步方案，所述的鋰鹽包括硝酸鋰、硼酸鋰、偏鋁酸鋰、鎵酸鋰、偏銦酸鋰、磷酸鋰、磷酸二氫鋰、砷酸鋰、銻酸鋰或鋰鉍磷酸鹽。

進一步方案，所述鋰鹽質量佔混合物總質量的0.1％-10％。

進一步方案，所述混合均勻是將納米矽基材料置於鋰鹽溶液中攪拌混合，並進行乾燥處理；或是將納米矽基材料與納米級鋰鹽粉體直接進行幹混。

進一步方案，所述熱處理的溫度為200-1300℃、時間為30-600min。

所述保護氣氛為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。

本發明具有如下技術優點。

(1)由於矽的電子導電性很差，通過硼族或氮族元素摻雜可提高矽基材料的導電性。

(2)由於氧化亞矽首次嵌鋰時，其中的氧元素會與活性鋰發生不可逆反應，造成矽基負極首效降低。而通過硼族元素鋰鹽或氮族元素鋰鹽的摻雜處理，不僅可以提高矽基材料導電性，其鋰鹽中的鋰會與氧化亞矽中的氧會發生反應，從而降低首次不可逆鋰的損失，對氧化亞矽的首次庫倫效率有一定的提升。

(3)該方法工藝簡單、適合大規模生產。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中納米氧化亞矽在處理前、後作為電池負極材料的電池的循環性能對比。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步描述，但不應以此限制本發明的保護範圍。

實施例1

將納米氧化亞矽與磷酸鋰按質量比為0.98：0.02的配比在酒精體系中攪拌混合，其固含量為50％，攪拌時間為100min，攪拌溫度為室溫25℃；然後利用油浴鍋進行動態乾燥，乾燥溫度為80℃。然後在氮氣氛下，將上述混合後的矽基材料進行熱處理，燒結溫度為400℃，燒結時間為120min。

本方法得到的氧化亞矽材料電子導電率為2×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近3％。

將本實施例製備的複合氧化亞矽材料和未經處理的納米氧化亞矽作為扣式電池負極材料進行扣電測試，其中負極中活性物質比例為20％。在不同充放電倍率0.1c、0.5c、1c下電池容量保持率的變化如圖1所示(圖中每個充放電倍率下都做了三次重複試驗，共有三個數據)。從圖1可看出，本發明製備的複合氧化亞矽材料放電性能相比未處理的氧化亞矽材料高，分別從95.7％、89.2％、80.5％提高到98.3％、93.4％、86.1％。

實施例2

將納米氧化亞矽粉與納米級硼酸鋰按質量比為0.95：0.05的配比進行幹混，時間為150min。然後在氦氣氛下，將上述混合後的矽基材料進行熱處理，燒結溫度為500℃，燒結時間為300min。

將燒結得到的複合氧化亞矽材料進行扣電測試，活性物質比例為20％。本方法得到的材料電子導電率為5×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近5％。

實施例3

將納米矽粉與偏鋁酸鋰按質量比為0.995：0.005的在去離子水中混合攪拌，固含量為40％，攪拌時間為200min，後在70℃進行動態乾燥。然後在氬氣氛下，將上述混合後的矽基材料進行熱處理，燒結溫度為800℃，燒結時間為200min。

將燒結得到的複合矽材料進行扣電測試，活性物質比例為20％。本方法得到的材料電子導電率為3×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近2％。

實施例4

將納米矽粉與納米級鎵酸鋰按質量比為0.92：0.08的配比進行幹混，時間為30min。然後在氮氣氛下，將上述混合後的矽基材料進行熱處理，燒結溫度為1200℃，燒結時間為500min。

將燒結得到的複合矽材料進行扣電測試，活性物質比例為20％。本方法得到的材料電子導電率為7×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近6％。

實施例5

將納米氧化亞矽粉與銻酸鋰按質量比為0.9：0.1的配比在酒精體系中進行攪拌，固含量為40％，時間為300min，然後對混合後的矽粉進行抽濾、烘乾。在氮氣氛下進行熱處理，燒結溫度為200℃，燒結時間為30min。

將燒結得到的複合氧化亞矽材料進行扣電測試，活性物質比例為20％。本方法得到的材料電子導電率為8×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近8％。

實施例6

將納米氧化亞矽粉與納米級硝酸鋰按質量比為0.999：0.001的配比進行幹混，時間為60min。然後在氮氣氛下，將上述混合後的矽基材料進行熱處理，燒結溫度為1300℃，燒結時間為600min。

將燒結得到的複合氧化亞矽材料進行扣電測試，活性物質比例為20％。本方法得到的材料電子導電率為4×103s/cm，且首效相比未進行處理的材料提高了近3％。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方法。