[发明专利]一种锂电池的铜‑铝‑硅合金纳米负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法，属于锂电池负极材料技术领域。

背景技术

新材料和清洁能源都是国家层面的重点发展方向，锂离子电池是目前储能技术中应用最广泛的储能电芯，提高电芯能量存储密度是全世界追求的目标，电芯能量密度的提高主要依赖于其正、负极材料的发展进步，但也与锂离子电池的正负极集流体、正负极粘结剂、电解液和隔膜等材料的进步有关。

锂离子电池的核心部分是正、负极电极材料，它直接决定着电池的使用性能。能量密度、循环寿命、循环效率和安全性能都是电极材料的关键指标。目前，最常见的商业锂电池负极材料主要是碳类和硅碳类材料，它们具有较稳定的循环性能、较高的循环效率和安全无污染等优点，但碳类材料的容量己经接近其理论容量（372mAh/g)，比容量的开发潜力小；硅碳类材料是对碳类材料的革新，在碳类材料中加入3～15%的硅使负极材料的克容量达到420mAh上下，通过该方法继续提高克容量存在技术壁垒。纯硅的理论储锂比容量为4200mAh/g，在所有元素中它最高，它作为负极材料可以大幅度提高电池的能量密度，但其循环寿命和循环效率远比碳材料要差，在锂化和去锂化过程中体积变化巨大（>300%）是导致其循环寿命差的主要原因，硅的导电性差是其循环效率低的原因之一，硅的比表面积越大，其循环效率也会越低。如何有效解决硅负极材料的循环寿命短和循环效率低问题是两大世界难题，至今没有可行的技术方案。在纳米硅颗粒表面包覆碳、石墨烯、钛等技术都没有使问题得到根本解决，即使在实验室取得了较好的研究结果，也没有办法将其应用于实际生产。

目前现有技术存在用硅作为负极材料使用时的主要问题：循环寿命短，首周效率低和充放电时间长。本发明合金成分设计与微观组织结构独特，雾化所得合金粉末的粒度分布合理，能满足锂离子电池涂布需求，同时本发明做成的锂电池性能优越，具有循环寿命长，首周效率高和充放电时间短的特点。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种高性能锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料，由以下重量份原料构成：硅32～39份，铜54～59份，铝1～8份，杂质0～5份。

所述的合金纳米负极材料整体包含：气孔、缩孔、缩松、位错、空位和空穴的多缺陷组织结构，粒径≤80μm。

进一步的，所述的杂质为：钛，钴，镍，锰，铁，硼，磷，碳的任意种的混合。

一种制备锂电池的铜-铝-硅合金纳米负极材料的方法，包括：配料步骤；熔炼步骤；制粉步骤；分离和筛选步骤；真空干燥步骤，其特征在于：所述的熔炼步骤包括：感应加热，熔炼时间20～30min，达到熔融态，出炉温度为1650±50℃。

进一步的，所述的水雾化制粉如下：

第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；

第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1650±50℃时，使得炉料成熔融态，具有较好的流动性；

开始向中间包中浇入液体金属，调节水雾化压力300～450Mpa，进行水雾化制粉。

进一步的，所述的制粉步骤为气雾化制粉，所述的气雾化制粉如下：

第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；

第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1650±50℃时，开始向中间包中浇入液体金属，调节气雾化压力10～50Mpa，进行气雾化制粉；

气源或为洁净空气，或为氩气，或为氮气。

进一步的，所述的制粉步骤为超声气雾化制粉，所述的超声气雾化制粉如下:

第一步，开启雾化装置的中间包系统，中间包漏嘴内径选用φ6～14mm；

第二步，调节铜-铝-硅合金的液态温度达到1650±50℃时，开始向中间包中浇入液体金属，调节超音速气流的流速为2～2.5马赫，超音速气流的脉冲频率为80～100KHz，气流压力为10～50Mpa，进行气雾化制粉，

气源或为洁净空气，或为氩气，或为氮气。

进一步的，在所述分离和筛选步骤后进行真空干燥后，还包括时消除应力的后处理步骤。