[发明专利]一种硅基合金材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅基合金材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池领域。活性基体硅以及缓冲基质硅/金属合金共同组成硅基合金材料：硅作为活性物质，占主导储锂作用；硅/金属合金作为缓冲基质，起缓冲和导电作用。本发明最为突出的特点在于以粗硅粉和金属粉为原料，利用高频热等离子体无电极加热、高温、速冷的特性一步法制备。所制备的硅基合金材料为纳米球形结构，粒度均匀，分散性好，纯度高。同时，该方法工艺简单、过程环保、成本低廉、连续可控，可宏量制备。本发明制备的硅基合金材料作为锂离子电池负极，在嵌/脱锂过程中体积变化较小，结构稳定，有效提高了锂离子电池负极材料的能量密度和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，制备方法和应用，属于锂离子电池领域。具体地说，是涉及一种可用作锂离子电池负极的具有高比容量、高库伦效率的硅基合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，新能源汽车、便携式电子产品、储能和通信等新兴领域的快速发展对大容量锂离子电池提出越来越多的需求。对于负极材料来说，提高能容密度主要为提高容量和降低脱嵌锂电压。目前商品化锂离子电池负极材料主要为石墨，其比容量一般在300～360mA h g^-1，且石墨类材料的理论比容量为372mA hg^-1，容量提升潜力有限，已经无法满足锂电池对能量密度的需求。硅负极材料具有较高的理论储锂比容量(4200mAhg^-1)和较低的嵌锂电位(～0.2V)，被认为是替代石墨负极最有潜力的材料之一。但硅材料在充放电过程中体积变化高达300％，巨大的体积效应导致活性材料的破裂和脱落，造成库伦效率下降，电极材料循环性能迅速衰减，严重限制了其在锂离子电池上的应用。

研究表明，以合金取代纯硅可显著改善锂合金负极的循环性能。采用没有嵌锂活性、导电性好、延展性好且机械强度高的金属作为硅的分散基质，可缓冲硅的体积变化，并提供电子通道，从而提高材料的电化学性能。例如，Wang等用高能球磨法制备了纳米硅镍合金，首次放电容量1180mA h/g，嵌锂过程中硅与锂形成合金，镍保持惰性维持结构的稳定，其循环性能有了很大改善。但纳米材料的剧烈团聚限制了硅合金循环性能的进一步提高[J.Alloys Compd.,2000,306,249-252]。Choi等通过磁控溅射法制备硅铁合金膜，组分铁缓冲硅在嵌锂过程中体积膨胀，并形成2D导电网络，提高材料的电化学性能，但条件较为苛刻，产量低，不利于规模化生产[Electrochim.Acta,2011,56,9818-9823]。美国3M公司也报道了硅基合金负极材料并进行产业化布局，其首次比容量高达1000mA h/g，并表现出良好的循环稳定性，库伦效率稳定后约为99.8％，而与之容量相近的纳米硅库伦效率却只有99.2％。

目前，合金负极材料的制备方法主要有高能球磨法、热熔法、化学还原法、电沉积法以及反胶团微乳液法。这些制备方法普遍存在原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻及规模化生产困难等问题。比较有应用前景的是高能球磨法，但球磨法容易引入杂质，特别是杂质氧的存在会带来较大容量损失。更为重要的是，高能球磨法制备的合金材料颗粒不规则，且在球磨过程中极容易发生团聚，形成大的团聚体。在合金结构中，粒子越小循环性能越好，剧烈团聚限制了合金材料性能的提升。因此，改善团聚现象，制备具有高分散的纳米颗粒是提高硅基负极材料电化学性能的关键。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种硅基合金材料，该材料能够减少硅的体积膨胀，提高锂离子电池硅基负极材料的能量密度和循环稳定性。本发明的目的还在于提供一种采用高频热等离子体一步制备上述材料的方法。所制备的硅基合金材料为纳米球形结构，粒度均匀，分散性好，纯度高。同时，该方法工艺简单、过程环保、成本低廉、连续可控，能够宏量制备，可推动硅基负极材料的实际应用。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种硅基合金材料，活性基体硅以及缓冲基质硅/金属合金共同组成硅基合金材料：硅作为活性物质，占主导储锂作用；硅/金属合金作为缓冲基质，起缓冲和导电作用。