[发明专利]一种包埋富铝纳米颗粒的复合硅粉及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了一种包埋富铝纳米颗粒的复合硅粉及其制备方法和应用。本发明的复合硅粉包括硅颗粒基体和富铝纳米颗粒，硅颗粒基体的尺寸为0.2‑3μm，富铝纳米颗粒的半径为3‑10nm；复合硅粉由以下重量百分含量的原料制备而成：工业铝85.1‑99.0％、工业硅0.9‑14.8％、变质剂0.1‑0.6％；本发明还给出了上述复合硅粉的制备方法，原料经过熔融、冷却定型、化学腐蚀、静置、离心和干燥而得到。本发明是一种硅粉内部包埋有富铝纳米颗粒的复合硅粉，结构新颖，降低了硅粉的硬度，粒径小，制备工艺简单可控，成本低，可以用于锂离子电池负极材料，能够形成纳米通道，提高了锂离子电池的初次放电容量和循环性能。

技术领域

本发明涉及硅粉的技术领域，特别是指一种包埋富铝纳米颗粒的复合硅粉及其制备方法和应用。

背景技术

传统的锂电池负极材料主要为石墨，然而，石墨的比容量小，导致传统的锂电池难以满足电动汽车和移动电子设备等对大容量、低重量的锂电池的要求。硅是新型的锂电池负极材料，是最有前途的锂电池负极材料之一。但是，由于复合硅粉的导电性差，锂化过程中的体积膨胀严重，导致粉碎化，致使循环寿命差，限制了其在锂电池负极材料中的应用。

为了提高复合硅粉在锂电池负极材料中性能，现有技术中通常对复合硅粉的性能进行改进，主要表现在通过纳米硅聚集体、硅碳核壳结构或表面导电涂层等方式对复合硅粉颗粒进行改性。例如：中国专利CN103985848A公开了一种利用掺杂硅颗粒制备纳米多孔硅的方法，该方法包括选用一定掺杂浓度的硅颗粒，氢氟酸清洗后，选用硝酸盐、氢氟酸、氧化剂配制的溶液反应并进行超声辅助，再经离心清洗，最后通过稀硝酸清洗等后处理制备的三维纳米多孔硅；该方法主要是利用化学刻蚀的方法溶解掺杂硅颗粒中的掺杂颗粒从而得到具有三维纳米结构的多孔硅；这种纳米硅聚集体和硅碳核壳结构的颗粒，由于具有多孔结构而导致其体积密度小，表面涂抹导电涂层的硅颗粒也因为导电层的增加而增加了硅颗粒的体积，从而降低其体积密度；这种改进的硅颗粒用于锂电池负极材料时很容易导致其骨架结构不稳定，并且，纳米硅及其复合材料的制备，通常原材料极为昂贵，成本高，不适于工业化生产。

发明内容

本发明提出一种包埋富铝纳米颗粒的复合硅粉及其制备方法和应用，解决了现有技术中的硅负极材料在锂化过程中体积膨胀严重而影响锂电池的循环寿命的问题。

本发明的一种包埋富铝纳米颗粒的复合硅粉，其技术方案是这样实现的：所述复合硅粉包括硅颗粒基体和富铝纳米颗粒，所述硅颗粒基体的尺寸为0.2-3μm，所述富铝纳米颗粒的半径为3-10nm；所述复合硅粉由以下重量百分含量的原料制备而成：工业铝85.1-99.0％、工业硅0.9-14.8％、变质剂0.1-0.6％。

本发明是一种硅粉内部包埋有铝粉纳米颗粒的复合硅粉，其结构新颖，硅基体的粒径小，包埋结构为富铝纳米颗粒；与纯的硅粉相比，本发明的复合硅粉存在的富铝纳米颗粒，提高了其导电性，降低了其硬度，缓解了硅粉内部的应力，延缓了硅粉的粉碎化；富铝纳米颗粒的存在，使锂离子电池在放电过程中形成了电解液的纳米通道，促进了锂离子电池的电荷与质量传输，锂离子电池的初次放电容量达3524.1mAh/g，与无富铝纳米颗粒的同尺寸硅粉制作的负极材料相比，锂离子电池的循环性能最高提高了约50％；与现有的多孔掺杂硅相比，本发明的复合硅粉体积密度高，提高了骨架结构的稳定性，原材料价格低廉，制备工艺简单可控，成本低。

作为一种优选的实施方案，所述复合硅粉中硅元素和铝元素的重量百分含量分别为Si 90.0-99.9％和Al 0.1-10.0％。本发明的复合硅粉是由工业铝、工业硅和变质剂经过熔融、冷却定型、化学腐蚀、静置、清洗和干燥后而得到的。在化学腐蚀的过程中，变质剂随着部分富铝相被腐蚀溶解掉，静置的过程中还有少量的硅粉也被过滤掉，因此，所得复合硅粉中仅含有硅和铝两种元素，其它杂质含量很微小。