一種鋰矽合金負極的製備方法與流程
2023-12-05 10:34:26 1
本發明公開了一種鋰矽合金負極的製備方法，屬於化學電源儲能技術領域。
背景技術：
可充鋰錳電池是一種重要的記憶電源，其正極採用3V錳酸鋰，負極通常採用鋰鋁合金負極。而鋰矽合金負極在單位體積的容量明顯優於鋰鋁合金的性能。
目前鋰矽合金的製備方法主要有兩種：一種是通過加壓的方式製備，將鋰粉和矽粉按一定比例混合，在0.1MPa下加壓保持一定的時間；另一種是將鋰粉和矽粉混合均勻後置於一個密閉的容器中，高溫燒結。這兩種方法均不適合大規模生產，而且成本高。
鋰矽合金作為負極使用時，在充放電過程中體積嚴重膨脹/收縮，最終導致活性物質之間導電性很差而壽命終止。
本發明提供了一種鋰矽合金負極的製備方法，可以克服鋰矽合金在使用中的嚴重膨脹，從而延長電池的循環壽命。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種鋰矽合金負極的製備方法，該方法具有工藝簡單循環壽命長的優點。
本發明是通過以下技術方案實現的，一種鋰矽合金負極的製備方法，其製備步驟是：把分析純的矽粉和鋰粉按摩爾比(8～5)∶(2～5)混合，在惰性氣氛環境下球磨4小時，成為砂狀，然後按一定的填充密度填充入發泡鎳中，壓片，再加熱到160～170℃保持1小時，然後降溫到室溫，取出，得到鋰矽合金負極。這個負極，可以按需要衝片成任意尺寸。
所述的矽粉顆粒尺寸在150～320目，純度大於99.9％，所述的鋰粉顆粒尺寸在150～320目，純度大於99.9％，所述的惰性氣氛是氬氣，純度大於99.999％，所述的發泡鎳面密度在150～300g/m2，厚度2～3mm，所述的填充密度在800～900g/m2，所述的壓片壓力是在5～10MPa。
本發明的優點是工藝簡單，易於操作和控制，能耗小，合成的鋰矽合金適合作為二次鋰電池負極。本發明的鋰矽合金是混合相，即包括金屬鋰相、金屬矽相和鋰矽合金相，再加上使用了發泡鎳作為骨架和集流體，不僅保留了鋰的大電流輸出特性，而且抑制了負極使用過程中的體積伸縮變化，使鋰矽合金負極具有很好的循環壽命，三者結合滿足了二次鋰電池負極對鋰矽合金的要求。使用鋰矽合金材料做負極的二次鋰電池使用中要先放電，本發明的鋰矽合金中金屬鋰相可以提供更強的鋰離子供應能力，減小電池極化，提高放電平臺，避免了傳統方法製備的鋰矽合金材料首次放電時鋰離子脫出困難，極化大的問題。在隨後的電池充電過程中，從正極遷移來的鋰離子在電勢差的作用下優先和金屬矽相進行合金化，且本發明所使用的矽為顆粒狀，增加了和鋰離子反應的面積，降低了極化，加之鋰矽比例選擇適當，不會再產生鋰金屬的沉積，從而提高負極的循環壽命，改善二次鋰電池的安全性。
附圖說明
圖1是本發明鋰矽合金負極和市售電池級鋰矽合金負極製備二次鋰二氧化錳電池首次放電對比
1.使用本發明鋰矽合金負極的二次鋰/二氧化錳電池首次放電曲線
2.使用市售電池級鋰矽合金負極的二次鋰/二氧化錳電池首次放電曲線
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明進一步說明，下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發明的保護範圍。
實施例1
在相對溼度低於0.5％的乾燥空氣中，將純度99.9％、150目的矽粉(天津市化學試劑供銷公司)22.50g和純度99.99％、150目的鋰粉(天津中能鋰業有限公司)1.39g裝入250ml陶瓷研磨罐，加入10個直徑5mm的剛玉球，充入99.999％的氬氣密封，裝在球磨機上，以30轉/分鐘的速度球磨4小時，成為砂狀取出，按900g/m2填充密度填入面密度150g/m2、厚度2mm的發泡鎳(山東菏澤天宇科技有限公司)中，在5MPa壓力下加熱到160℃保持1小時，然後降溫到室溫，取出，得到鋰矽合金負極。衝下直徑8.5mm的圓片，厚度0.4mm，待用。
在相對溼度低於0.5％的乾燥空氣中，將市售電池級鋰矽合金粉末(天津中能鋰業有限公司)取50mg混合物倒入內徑為8.5mm的模具中，在油壓機上以5MPa壓力對粉料施壓，然後取下模具，取出餅狀物，其厚度為0.4mm，直徑為8.5mm。
將複合二氧化錳粉末(天津赫維科技有限公司，規格1#)50g和Super-P(TIMCAL Belgium S.A.)2.5g，KS-15(TIMCAL Belgium S.A.)1.2g均勻混合，再加入質量百分比濃度為60％的聚四氟乙烯乳液5g，然後加入30g無水乙醇，用玻璃棒攪拌成為膏體，在對輥機上軋成厚度為1mm薄膜。用模具切下2個直徑為9mm的圓片，放入真空烘箱進行180℃，-0.1MPa烘乾，10小時。
在相對溼度低於0.5％的乾燥空氣中，將2個二氧化錳正極片分別放入CR1220正極蓋中，將上述的2個負極片(自製鋰矽合金及市售鋰矽合金)分別放入CR1220負極殼中，滴入0.5ml 1M LiClO4在1∶3(質量比)PC和DME的電解液，負極上面放一層直徑為10mm，厚度為50μm的聚丙烯隔膜，然後把正極蓋、負極殼扣在一起，在油壓機上封口，得到2個二次鋰/二氧化錳電池。
對這2個電池進行2.7kΩ恆阻放電，以容量為橫坐標，電壓為縱坐標進行繪圖，在圖1中，電池1放電容量和平臺都高於電池2。
實施例2
在相對溼度低於0.5％的乾燥空氣中，將純度99.9％、320目的矽粉14.05g和純度99.99％、320目的鋰粉3.47g裝入250ml陶瓷研磨罐，加入10個直徑5mm的剛玉球，充入99.999％的氬氣密封，裝在球磨機上，以30轉/分鐘的速度球磨4小時，成為砂狀取出，按800g/m2填充密度填入面密度300g/m2、厚度3mm的發泡鎳中，在10MPa壓力下加熱到170℃保持1小時，然後降溫到室溫，取出，得到鋰矽合金負極。衝下直徑8.5mm的圓片，厚度0.4mm，待用。
二氧化錳正極片製作同實施例1。
CR1220電池裝配同實施例1。