[发明专利]一种掺混纳米相材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及材料学领域，具体涉及一种掺混纳米相材料及其制备方法 和应用。

背景技术

目前，锂离子电池常用的负极材料有碳负极材料(包括石墨，软碳和硬 碳)和Li₄Ti₅O₁₂，但是它们的克容量提升空间有限，不利于高能量密度锂离 子电池的开发和设计。业界对高能量密度锂离子电池有着迫切需求，因此， 急需开发高容量和高稳定性的电极材料。

硅，锡，锗，锑，铝，镁等材料是新型高容量负极材料，作为下一代 锂离子电池负极材料具有很大潜力。该类材料嵌锂时，可与锂可以形成合金， 比如Li₄.₄Si、Li₄.₄Sn，这类材料具有较高理论容量，比如硅负极材料具有高达 4200mAh/g(高温)的理论容量，即使在室温下也具有高达3590mAh/g的理 论容量，几乎是现有锂离子电池石墨负极材料容量的10倍。然而，这类材料 在实际使用时存在诸多问题。在锂进出硅材料的过程中存在巨大的体积形变， 在材料内部形成巨大应力，造成极片裂纹，活性材料层剥离，材料粉化以及 SEI膜不稳定进而导致容量和循环急剧衰减；此外硅属于半导体材料，电子电 导差，不能满足实际电池电极对电子电导的需要。

解决该类材料在循环过程中的遇到的上述问题主要是通过减小颗粒尺寸， 掺混或混合以及包覆。有文献报道，在抑制合金类材料的裂纹方面，合金材 料的尺寸尤为关键。对硅材料而言，低于该材料的临界尺寸后，在材料应力 的释放过程中可以减少裂纹。不同形貌的硅材料的临界尺寸也不相同。比如 硅纳米线的临界尺寸为300nm，多晶纳米颗粒的临界尺寸为140nm，薄膜材 料的临界厚度为100nm-200nm。可以发现，尽可能把这类材料的尺寸降低到 纳米级别能够有效抑制裂纹。

目前，制备纳米材料主要有气相裂解法，激光等离子法，液相法，蒸发 法等。然而，这些方法制备纳米材料成本比较高，主要原因是原材料和设备 昂贵，同时生产量有限，难以获得粒度分布集中的批量级纳米材料，此外在 制备过程难以进行掺混及混合。比如，气相裂解法主要为硅烷法，就是最终 用硅烷热解制纳米硅的方法，又分为硅镁合金法工艺(Komatsu硅化镁法)、 氯硅烷歧化工艺(UnionCarbide歧化法)、金属氢化物工艺(MEMC公司发 明的新硅烷法)。这些方法的原料和设备造价高，同时制备硅烷的过程以及 气相裂解的过程中存在严重的安全隐患，不利于大规模生产。激光等离子法、 液相法和蒸发法同样存在气相法的问题。

发明内容

为解决上述问题，第一方面，本发明实施例提供了一种掺混纳米相材料 的制备方法，该方法以下步骤：

Si及其氧化物SiOx中的一种或多种作为粉体材料加入到溶剂中，其中 0<x≤2；含有Li、Sn、Ge、Sb、Al、Mg、Bi、Ag、B、C、N、F、Na、P、 Cu、Zn、Ga、Mo、V、Ti的单质或化合物中的一种或多种的物料加入到所述 溶剂中；所述溶剂加入分散剂，分散均匀后，进行研磨。

优选地，所述粉体材料的粒径为0.001μm～50μm；所述粉体材料按照固 含量为1～50％的比例加入到溶剂中。

优选地，所述分散剂包括十二烷基苯磺酸类、尿素、多聚磷酸钠、硅酸 盐类、聚乙二醇、羧甲基纤维素钠、海藻酸类、聚丙烯酸类、聚乙烯吡咯烷 酮、木质素磺酸类、腐植酸钠中的一种或多种。

优选地，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、水、酒精、乙二醇、甘油、聚 乙烯吡咯烷酮、丙酮、环己烷、丁酮、丁醇中、苯类中的一种或多种。

优选地，所述研磨包括初磨和细磨。

优选地，所述初磨包括搅拌球磨；所述初磨持续2～8小时。

优选地，所述细磨为利用含有研磨球的循环式研磨机或高能球磨机进行 的细磨，温度在-50℃～100℃之间，持续2～40小时。

优选地，所述研磨球为氧化锆球、掺杂氧化锆球、氧化铝球、碳化硅球 中的一种；所述研磨球的粒径为0.01mm～5mm。

优选地，对所述细磨产物进行除磁；更优选地，利用除磁机除去所述细 磨产物的游离过渡金属。

第二方面，本发明实施例提供了根据第一方面所述的掺混纳米相材料的 制备方法制备的掺混纳米相材料，所述掺混纳米相材料粒径为1nm～500nm。