[发明专利]锂离子电池、纳米硅材料及制备方法

说明书

本发明提出了一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。采用上述方法制备得到纳米硅，并作为负极材料应用在锂离子电池上，能有效提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。

技术领域

本发明涉及到半导体材料领域，特别是涉及到一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法。

背景技术

根据工信部的《节能与新能源汽车技术路线图》的要求，到2020年纯电动汽车动力电池单体能量密度要超过300Wh/kg。而传统的石墨负极材料，其理论容量仅为372mAh/g，基本无法达到300Wh/kg的能量密度目标。因此目前动力电池行业提高锂离子电池能量密度的大势所趋是采用高容量的纳米硅材料。

然而，目前的作为电池负极的纳米硅材料仍然处于试验阶段，这是由于硅作为锂离子电池负极材料还具有以下两个问题没有得到解决：(1)在充放电过程中体积变化过大(>300％)，从而导致材料粉化，导致首次库伦效率过低，并且循环过程容量衰减严重(2)硅为半导体材料，其本征电导率过低，仅为4.7x10-3S/m,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，进一步降低了首次库伦效率，并且对其倍率与循环性能不利。针对以上问题，材料以及锂离子电池领域的专家们进行了大量的研究，研究发现将纳米级的硅颗粒在充放电过程中的形貌保持较为完整，并且以高导电性的碳、导电聚合物或者金属与纳米硅进行复合，来提高纳米硅的电导率。然而复合材料不可避免的存在一定的界面问题，而且复合材料并没有从本质上改变纳米硅的导电性，在充放电过程中，导电性较差的纳米硅仍会影响锂离子电池的整体电化学性能。因此提高纳米硅的导电性，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命仍是业内亟需解决的难题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，通过提供一种高导电性的纳米硅材料并应用在锂离子电池上，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。

为了实现以上目的，本发明提出了一种纳米硅材料的制备方法，包括步骤：

将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；

将混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；

取出反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；

将粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。

进一步地，掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种。

进一步地，二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)。

进一步地，指定升温速率为2—10℃/min；指定温度为600—1200℃；高温反应时间为1—6h；

进一步地，分散剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合。

进一步地，粗颗粒硅与分散剂的质量比范围为1：(5—10)。

进一步地，指定研磨工艺包括球磨和砂磨，球磨的转速为30-100rpm；球磨的时间为0.5-3h，砂磨的转速为1000-3000rpm，砂磨的时间为30-60h。

进一步地，纳米硅的平均粒径为50-300nm。