[发明专利]一种硅钛复合负极材料及其的制备方法与锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硅钛复合负极材料及其的制备方法与锂离子电池，所述制备方法包括：混合二氧化硅、含钛高炉渣与镁粉，镁热还原，得到硅钛复合负极材料；所述含钛高炉渣中的二氧化钛的质量分数为10～23wt％；所述二氧化硅、含钛高炉渣与镁粉的质量比为(8～12):(6～12):(6～10)。本发明所述制备方法资源化利用了含钛高炉渣；所述镁热还原过程中生成的TiSi₂有利于吸收反应过程中产生的大量热量，防止纳米硅颗粒的熔融和粘结，提高了硅钛复合负极材料的分散性；以硅钛复合负极材料制备的锂离子电池具有良好的倍率性能；以硅钛复合负极材料制备的锂离子电池具有良好的循环稳定性；所述制备方法工艺简单且制备成本低。

技术领域

本发明属于硅碳复合材料技术领域，涉及一种硅钛复合负极材料，尤其涉及一种硅钛复合负极材料及其的制备方法与锂离子电池。

背景技术

纳米结构的硅在新能源材料、太阳能、微电子、生物化学与环保等方面具有广阔的应用前景。传统碳热还原能够获得纯度较高的冶金硅，然而，由于传统碳热还原的反应温度往往在1400度以上，因而难以获得广泛适用的纳米级硅材料。目前，制备纳米硅材料的方法主要有化学或者电化学刻蚀、急速冷却、激光烧蚀、四氯化硅还原法与硅烷热解法。这些制备方法普遍具有高成本、设备结构复杂、高毒性和产率低的缺点，不利于大规模生产制备纳米硅。金属热还原硅被认为具有克服上述问题的潜力，但传统的金属热还原硅也存在一些问题。比如，对于镁热或铝热还原来说，虽然还原后能够得到具有纳米结构的多孔硅，然而，其纳米结构由于还原过程的硅原子无序堆积，以及纳米结构的熔融粘连，导致纳米结构的均匀化程度和分散性较差，从而影响了它们在具体应用时的性能。

CN111834610A公开了一种基于镁热还原的锂离子电池硅碳复合负极材料制备方法，该方法先采用石墨和羧甲基纤维素(CMC)或者羟丙基纤维素(HPC)溶液制备高浓度的石墨分散液，接着在石墨分散液中加入纳米二氧化硅溶胶使其均匀分散，然后将分散液喷雾干燥形成石墨/二氧化硅复合物，再进行镁热还原反应，最后加入苯乙烯-丙烯腈共聚乳液并高温处理，得到锂离子电池硅碳复合材料。

CN106374088A公开了一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法，属于复合材料制备技术领域。所述方法包括：(1)将二氧化硅源、有机碳源和溶剂混合，球磨制得匀浆状混合物，经烘干得到二氧化硅-碳前驱体复合材料；(2)将二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉混合进行镁热还原反应，收集产物并进行酸洗、水洗，干燥后得到所述硅碳复合材料。

CN105762338A公开了一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，包括：制成硅酸钠、葡萄糖和氯化钠混合溶液；加热干燥，制得棕色焦糖状前驱体；Ar气氛下升温至650℃煅烧，获得硅酸钠/碳前驱体；利用强酸制弱酸原理，加入HCl至硅酸钠/碳前驱体，制成混合溶液，后续将混合溶液置于 170℃烘箱中进行干燥，将样品经过水洗后获得二氧化硅/多孔碳复合材料；将二氧化硅/多孔碳复合材料与镁粉和氯化钠均匀混合，700℃煅烧，经过酸处理、水洗和干燥后获得硅碳复合材料。

目前公开的硅钛复合负极材料及其的制备方法都有一定的缺陷，存在着硅钛复合负极材料的分散性较差、均匀性较差、导电性较差、倍率性能较差与循环稳定性较差，硅钛复合负极材料的制备方法工艺复杂与制备成本较高的问题。因此，开发设计一种新型的硅钛复合负极材料及其的制备方法至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种硅钛复合负极材料及其的制备方法与锂离子电池，本发明所述制备方法资源化利用了含钛高炉渣；所述镁热还原过程中生成的TiSi₂有利于吸收反应过程中产生的大量热量，防止纳米硅颗粒的熔融和粘结，提高了硅钛复合负极材料的分散性；以硅钛复合负极材料制备的锂离子电池具有良好的倍率性能；以硅钛复合负极材料制备的锂离子电池具有良好的循环稳定性；所述制备方法工艺简单且制备成本低。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：