[发明专利]一种将工业硅粉用于制备锂离子电池负极材料的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及锂离子电池负极材料的制备，特别是一种将工业硅粉用于制备锂离子电池负极材料的方法。

背景技术

随着动力锂电池的开发，高容量负极材料是必不可少的。硅(Si)具有接近4200mAh/g 的理论嵌锂容量，现已成为目前研究的主要负极材料之一。但是硅的循环性能较差，这是因为硅基负极材料的两个缺点，一个是在充放电过程中伴有较大的体积变化，产生硅粒破裂和粉化现象，导致导电网络与硅粒子之间发生分离，内阻突然增加，容量快速下降；另一方面高纯硅是不导电的，所以需要对高纯硅进行掺杂或者改性之后才能作为电极材料。

针对以上纯硅的两个缺点，常常采用以下方法是对纯硅进行改性：1）硅材料纳米化，使获得的电极材料有足够多的空间缓解硅的体积效应。颗粒的细化增加了硅的比表面积，使得锂原子更容易嵌入和脱出；纳米级硅材料可以缓解体积效应，提高循环性能。但纳米材料容易团聚，不能从根本上解决循环稳定性问题。2）硅材料包覆，主要是利用碳材料进行包覆，一方面包覆可以提高导电性，另一方面，碳类材料在硅颗粒的表面，可以缓解硅颗粒体积膨胀导致的粉化细化，使得循环性能更好。硅包碳Si/C复合材料较碳材料能够具有较高的容量和循环性能，但是硅的含量对材料的性能有很大的影响，一是当硅含量较高时，硅颗粒在脱嵌锂的过程中有了体积效应，结构变得不稳定；另外在后续循环中覆盖在表面的硅表现出明显的体积效应，使得材料的循环稳定性急剧下降。含少量硅的复合材料在循环过程中也未能抑制容量的降低，这是因为表面裸露的硅与石墨结合力弱，在循环过程中Si与石墨分离而发生团聚，所以硅包覆碳复合材料不能同时提高容量和循环稳定性。3）硅材料的掺杂，目前主要是对硅粉利用机械合金化方法掺入一些合金元素，目的是提高导电性，并且合金元素可以改善硅晶体结构，有效地缓解体积效应。

目前对硅的改性基本上是在高纯硅粉上进行的，高纯硅粉硅含量通常在99．9999％以上。高纯硅本身的导电性较差，在利用高纯硅制作电极材料时需要对其进行改性和掺杂来提高电极材料本身的导电性。既然在后续制作电极中需要对高纯硅粉进行掺杂和改性以提高其导电性，以降低储锂过程中的体积膨胀，那么把硅作为电极材料时不一定需要以高纯硅为原料。基于此点，本发明提出采用含有一定合金原子的工业硅粉作为锂离子电池负极活性物质。

工业硅粉又称金属硅粉，是银灰色或暗灰色粉末，有金属光泽，其熔点高、耐热性能好、电阻率高，具有高度抗氧化作用，被称为“工业味精”，是很多高科技产业不可缺少的基本原材料。工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得金属硅。 化学反应方程式为： SiO2 + 2C → Si + 2CO 。这样制得的硅合金为工业硅，也叫金属硅。工业硅粉中主成分为硅，其中所含的合金元素为铁、铝、钙等一种或几种的组合。总合金元素含量在0.001-3%（质量比）之间。工业硅粉的粒径在1um-100um之间。

目前工业硅粉主要用于以下几个方面： 

1）用于耐火材料、粉末冶金行业，以提高产品的耐高温、耐磨损和抗氧化性，其产品被广泛的应用于炼钢炉、窑炉、窑具中；

2）在有机硅化工行业，工业硅粉是有机硅高分子合成的基础原料，如用于生产硅单体、硅油、硅橡胶防腐剂，从而提高产品的耐高温性、电绝缘性、耐腐蚀性、防腐蚀性、防水等特性；

3）工业硅粉经拉制成单晶硅加工而成的硅片被广泛应用于高科技领域，是集成电路，电子元件必不可少的原材料；

4）冶金铸造行业中，工业硅粉作为非铁基合金添加剂、硅钢合金剂，从而提高钢淬透性。工业硅粉也可应用于某些金属的还原剂，用于新型陶瓷合金等。

目前利用工业硅粉作为锂离子电池负极材料的国内未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种将工业硅粉用于制备锂离子电池负极材料的方法，该方法所用工业用途硅合金具有高容量、性能优异、价格低廉的优点，可拓展工业用途硅合金的使用范围，满足人们对高容量小体积电池的需要。

本发明的技术方案：

一种将工业硅粉用于制备锂离子电池负极材料的方法，步骤如下：

1)将工业用硅合金采用机械球磨或气流磨法磨碎，制得粒径不大于60um的工业硅粉；

2)将上述工业硅粉与导电剂、粘结剂、分散剂和溶剂充分混合，制得电极浆料；

3)将电极浆料均匀涂覆在集流体表面，烘干后即可制得离子电池电极片。

所述工业用硅合金中所含的合金元素为铁、铝和钙中的一种或两种以上任意比例的组合，合金元素总含量的质量百分比为0.001-3%。