[发明专利]纳米级锂硅合金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，尤其涉及一种纳米级锂硅合金材料及其制备方法和用途。

背景技术

在热电池中，目前通常使用的热电池阳极主要有Li-Al、Li-Si和Li-B合金，其中，Li-Al合金是由一个含锂量为20wt%的单一固溶相组成，因此它的放电机理比较简单，仅显示一个电压平台。Li-Si合金是一个多放电台阶的阳极材料，利用Li-Si合金多电压平台的放电特性，在热电池设计时，可以利用几个电压平台，故其总容量要比Li-Al合金大，且其大电流放电能力强，电极电位比Li-Al合金低，其综合性能大大优于Li-Al合金。因此用锂硅合金作负极材料的热电池，会较钙系、镁系热电池体系有着放电功率大、比能量高、激活迅速、贮存期长及结构紧凑等优点。

与此同时，在目前锂离子电池中，人们一直在寻找开发新形的高容量的负极材料，其中硅材料是一种具有很大潜力的下一代锂离子电池负极材料，在硅负极材料嵌锂的时候，锂与硅可以形成一系列合金，比如Li4.4Si，这种材料具有4200mAh/g的理论容量。然而，硅负极材料首周效率较低，而且之后的每周效率不高，可以在硅负极材料中先掺入一部分锂，形成一部分锂硅合金，这样就可以补偿锂离子电池中固体电解质界面(SEI)膜的形成损耗的锂，从而提高锂离子电池的效率和容量。

目前常用的锂硅合金通常为微米级以上的锂硅合金，其制备方法主要有两种，一种是通过高压制备，比如将高纯的锂粉和硅粉通过一定比例混合，在0.1MPa下加压2小时；另一种主要是将锂粉和硅粉混合均匀后置于一个密闭的容器中，在550℃烧结200h。但需要注意的是由于锂硅合金具有非常高的活泼性，因此需要在充满Ar气的手套箱中进行制备，要求严格控制氧气分压小于1ppm，水分压小于1ppm，因此制备成本高、工艺复杂、产量少、不适用于大规模制造。用上述两种方法制备得到的锂硅合金颗粒都比较大，基本上都是微米级以上。如果要求更小的尺寸，目前还没有找到一个行之有效的安全的制备方法。业内也少有纳米锂硅合金材料相关的文献报道。

附图说明

下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步详细描述。

图1为本发明实施例2提供的纳米级锂硅合金材料的制备方法流程图；

图2为本发明实施例3提供的纳米级锂硅合金材料的扫描电镜图；

图3为本发明实施例3提供的纳米级锂硅合金材料的拉曼分析曲线图；

图4为本发明实施例4提供的纳米级锂硅合金材料的拉曼分析曲线图；

图5为本发明实施例5提供的纳米级锂硅合金材料的拉曼分析曲线图；

图6为本发明对比例1提供的纳米硅粉的拉曼分析曲线图。

发明内容

本发明实施例提供了一种纳米级锂硅合金材料及其制备方法和用途。该纳米级锂硅合金材料为纳米级粉末状锂硅合金材料，其制备方法简单易行、成本低廉、可大规模应用，本发明实施例提供的纳米级锂硅合金材料可以用做热电池、锂离子电池、锂离子电容器、锂硫电池、锂空电池以及全固态电池的负极材料。

第一方面，本发明实施例提供了一种纳米级锂硅合金材料，所述纳米级锂硅合金材料的组成包括：Li、Si以及掺杂元素；其中，Li和Si的摩尔比为1/100～5/1;所述纳米级锂硅合金材料中Li和Si的摩尔总含量大于等于90%;所述掺杂元素为B，C，N，F，Na，Mg，Al，P，Cu中的一种或多种；所述纳米级锂硅合金材料在任意一个维度上的尺寸为1nm至500nm。

优选的，所述纳米级锂硅合金材料为粉末，具体形貌为球形、椭球形、线形、菱形、锥形、棒状以及无规则的任意多边形中的一种或多种。

在第二方面，本发明实施例提供了一种如上述第一方面所述的纳米级锂硅合金材料的制备方法，所述方法包括：

室温下，在惰性气氛中，将浓度为0.01mol/L～5mol/L的多环芳香族化合物溶解于第一有机溶剂中形成前驱溶液；

在所述前驱溶液中加入金属锂；

静置1～24小时，所述金属锂溶解于前驱溶液中，形成黑色或墨绿色或浅黄色的锂化溶液；其中，所述锂化溶液中锂含量为0.001g/L～100g/L;

在所述锂化溶液中加入掺杂的纳米硅材料，并持续搅拌5～100小时，生成锂硅合金悬浮液；

经过真空干燥，制备得到初级纳米级锂硅合金粉料；

将初级纳米级锂硅合金粉料经过第二有机溶剂清洗过滤、真空干燥，制备得到纳米级锂硅合金材料。

优选的，所述方法还包括：