[发明专利]一种抑制锂电池钛硅碳陶瓷复合负极体积膨胀的方法

说明书

本发明设计一种抑制锂电池钛硅碳陶瓷复合负极体积膨胀的方法，包括如下步骤：步骤一、将碳源、钛源以及硅源加入去离子水中进行超声震荡至少30min，再加入成孔粉末后进行超声震荡至少20min，得到钛硅碳陶瓷原料待用；步骤二、将上述步骤一中钛硅碳陶瓷原料加入还原气氛炉中升温至300‑350℃后保温至少20min，再升温至800‑1000℃热处理至少3h，再升温至1400‑1500℃后保温1.0‑1.5h，关闭电源，随炉冷却至室温后得到钛硅碳陶瓷。本发明通过多孔网状结构骨架，在锂离子嵌入过程中引起的微观结构膨胀填充多孔结构的孔隙，从而抑制宏观结构的体积膨胀。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料制备的技术领域，具体涉及一种抑制锂电池钛硅碳陶瓷复合负极体积膨胀的方法。

背景技术

自1990年日本索尼公司率先推出第一款可充电型锂离子电池以来，经过近30年的发展，目前的锂离子电池已经广泛应用于电动汽车、电动自行车、备用电源、移动通讯装备等要求大容量或大倍率充放电的动力装置。传统锂离子电池所使用的负极大多为碳基材料，主要为石墨，其优势在于价格低廉，原料广泛，加工性能好，对于各种锂离子电池具有普遍的适用性。但其缺点也较为突出，锂离子在石墨中的脱嵌较为困难，石墨本身的容量和电导率并不算特别高。钛硅碳陶瓷，它具有陶瓷的高熔点、高化学稳定性、高耐磨性等特点，而且它还具有金属的导电性、导热性、高韧性、高温塑性及很好的可加工性。它是一种具有金属性的“软”陶瓷，具有很广阔的应用前景。钛硅碳是一种兼具了陶瓷和金属材料特点的三元碳化物陶瓷。因其具有质轻、热稳定性和化学稳定性好、优良机械加工性等优点，钛硅碳陶瓷被认为具备应用于生物医用材料的潜质。大多数医用移植材料对材料本身孔隙率的可调节性要求比较高，因为可以通过调节材料的孔隙率对医用材料力学性能进行改变，从而实现医用性植入材料与人体自身骨骼的匹配性。

但是到目前为止，关于多钛硅碳的制备方面的报道尚不多，采用不完全烧结法和热等静压法合成出多孔钛硅碳，孔隙率范围为0~55％。该方法的造孔原理是通过烧结过程中Si元素的挥发以及粉末烧结收缩产生的孔洞。利用元素粉可在不同温度下烧结制备出多孔钛硅碳，并发现不同温度下烧结制备的多孔钛硅碳孔隙率不同，但是其在低于1350℃下烧结出的多孔钛硅碳纯度较低。

在钛硅碳材料中，钛原子与碳原子形成八面体结构，与硅原子层共同形成六方结构，这种材料同时具有金属与陶瓷的优点，具有高导电性、高导热性和较好的加工性能，在用于锂离子电池负极上具有更加优异的性能。电池放电过程中，锂离子首先嵌入TiC与Si层间，之后与硅层形成硅锂合金，而硅锂合金在形成和分解过程中伴随着大量的体积膨胀，容易导致材料结构崩塌。因此，针对Ti3SiC2复合负极的体积膨胀的控制具有十分重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制锂电池钛硅碳陶瓷复合负极体积膨胀的方法，解决了现有锂电池的钛硅碳复合负极形貌不规则的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种抑制锂电池钛硅碳陶瓷复合负极体积膨胀的方法，包括如下步骤：

步骤一、将碳源、钛源以及硅源按照原子摩尔比为2：（2.8-3.2）：（0.9-1.1）加入去离子水中进行超声震荡至少30min，再加入与碳源摩尔比为0.001-0.005的成孔粉末后进行超声震荡至少20min，得到钛硅碳陶瓷原料待用；

步骤二、将上述步骤一中钛硅碳陶瓷原料加入还原气氛炉中升温至300-350℃后保温至少20min除去成孔粉末，再升温至800-1000℃热处理至少3h，再以1-20℃/min的升温速率升温至1400-1500℃后保温1.0-1.5h，关闭电源，随炉冷却至室温后得到高纯度微观结构膨胀的钛硅碳陶瓷。

进一步地，所述碳源为钛基金属-有机框架与石墨烯以质量比1:1复合而成；

所述钛粉的粒径为100nm-1μm；所述硅粉的粒径为100nm-1μm。