[发明专利]一种高金属含量的纳米碳化硅材料的制备方法和应用

说明书

本发明提供一种高金属含量的纳米碳化硅材料的制备方法，以及使用该高金属含量的纳米碳化硅材料制备的电极、全碳化硅锂二次电池。该制备方法所用原料包括非晶碳化硅粉、聚硅氧烷、锂化聚乙炔和金属混合粉末，所述金属混合粉末由金属锂粉、金属铝粉、金属铍粉、金属镁粉、金属钛粉混合而成，并同时采用介质阻挡放电等离子体工艺和高能超快激光技术，所得到的米碳化硅材料中金属含量高；由该高金属含量的纳米碳化硅材料制备的电极组装而成的全碳化硅锂二次电池的寿命长、容量高、循环性能好，其首次库伦效率达到99.9％，放电平台为4.1～3.5V，比容量达到2450mAh/g，放电能量密度达到1600～2000Wh/kg，功率密度达到1600～2000W/kg，循环周期可以达到20000次。

技术领域

本发明涉及一种纳米材料，具体涉及一种高金属含量的纳米碳化硅材料的制备方法和应用，属于新能源技术领域。

背景技术

由燃油汽车尾气造成的雾霾严重地损害着人们的健康。消减雾霾的根本是利用新能源，如城市里驾驶电动汽车，发电厂采用太阳能发电和风力发电、水力发电等可再生非燃煤技术获得清洁能源。这表明新能源技术赖以存在的必要条件之一是能量的储存和输运。现在储能技术受困于电池寿命和容量，电动汽车用动力电池还需要考虑安全问题。这几项技术指标现有的二次电池都不能满足。有机聚合物、硅合金基和钛酸锂等电极材料存在寿命短或能量密度低的缺陷，开发新型长寿命、高比能和高安全性电极材料及其锂二次电池成为当务之急。

市场现售锂二次电池的正负极材料，如磷酸铁锂、锰镍酸锂、钴酸锂或其它三元化合物电极的容量低、循环周期短、研发成本高。中国发明专利(申请号：201310523769.7，申请日：2013.10.30)一种高性能锂电池钛酸锂负极材料及其制备方法，该高性能锂电池钛酸锂负极材料，由下列重量份的原料制成：钛酸锂400、石墨3-4、纳米铜粉2-3、纳米铝粉1-2、十二烷基苯磺酸钠2-3、改性银粉4-5、水适量；所述改性银粉由下列重量份的原料制成：银粉100、纳米碳1-2、木薯淀粉1-2、铝矾土2-3、硅藻土2-3、甲基三乙氧基硅烷1-2、碳化硅2-3、氮化铝1-2、ZnO1-2、Nb₂O₅1-2。采用该钛酸锂负极材料的电池，其首次充电比容量仅＞175mAh/g，放电比容量仅＞160mAh/g，所以电极的容量很低。

经研究发现，利用材料的纳米特性可以减少充放电过程中体积膨胀和收缩对电极结构的影响，从而改进循环性能。实际应用表明，纳米特性的有效利用可改进某些负极材料的循环性能，但是还不能实现大规模的工业化生产。

纳米碳化硅是一种新型高强度、高韧性的材料，具有优异的力学和电学性能。与其它物质不同的是，碳化硅体材料不会产生储锂现象，而其纳米材料却可以，这是因为纳米尺度的碳化硅是具有新的性质，裸漏于表面的原子数多，表面悬挂键比例占到比较大的程度，在纳米尺度内降低了化学键能，晶格可弹塑性形变，锂离子可通过扩散通道迁移，扩散系数变大，与晶格不易形变的体材料碳化硅相比，纳米碳化硅有了嵌锂的可能性，成为电化学活性材料，因而能用于锂离子电池负极材料。但碳化硅掺杂非常困难，杂质不易进入晶格，所以，采用特殊处理技术掺杂，尤其是纳米尺度的金属充分的掺杂是一个需要解决的问题。尤其是金属掺杂工艺很复杂，效果也不理想。