[发明专利]硅氧材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种硅氧材料及其制备方法。所述方法包括：(1)减压条件下将硅粉与二氧化硅粉的混合物加热至1250℃‑1350℃，其中，所述硅粉与二氧化硅粉的摩尔比大于1；和(2)通入硅烷气体进行反应；由此制得所述硅氧材料。本发明通过调节硅粉和二氧化硅粉的投料比，以及硅烷气体的流量，实现调节硅氧材料的硅氧比，从而改善硅基负极材料的首效及容量。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，特别涉及硅氧材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，市场对电芯的能量密度要求越来越高，作为锂电池重要组成部分的负极材料，当前主流的石墨负极材料已经不能满足市场要求。石墨作为负极材料，其理论比容量为372mA·h/g，市场上的高端石墨材料可以达到360～365mA·h/g，可见相应锂离子电池能量密度的提升空间已经相当有限。

在此背景下，硅基负极材料因其较高的理论比容量(室温3572mA·h/g)、低的脱锂电位(＜0.5V)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但是，硅基负极材料在规模使用过程中仍存在一些关键问题需要解决，其中，Si和Li在室温下合金化之后，体积膨胀率会达到280％，在充放电过程中会反复膨胀收缩从而粉化，是Si负极应用路上最大的问题。为了克服这一困难，科研人员通过掺杂、纳米化等方法来解决这个问题。纳米硅颗粒、硅氧材料、硅合金、多孔硅等材料在解决该问题方面取得了一定的进展，特别是硅氧材料，已经实现商业化生产。

相对于其它材料如纳米硅、硅纳米线等需要对硅进行纳米化处理，氧化亚硅的优势包括：制备工艺简单，成本低；结构中的硅簇更小，属于无定形态；作为硅碳负极的前驱体，可以制备成微米级粉体，具有远高于其它硅材料的体积比容量和较高的安全性；氧化亚硅与锂合金化后，其中形成的Li₄SiO₄既可以缓解膨胀，又是锂离子的导体。因此，氧化亚硅成为了目前硅负极商业化的主流产品。

尽管氧化亚硅作为硅负极的前驱体具有很多优点，但是硅氧材料在充放电过程中形成的硅酸锂无法将其结合的锂离子再转移到正极中，所以导致硅氧材料的首效远低于石墨材料。目前主要通过预锂化解决这一问题，但预锂化一方面工艺复杂，另一方面增加了生产成本。

发明内容

本发明为解决硅氧负极材料首效低、比容量有待提高的问题，在减压条件下将硅粉和二氧化硅粉加热至反应温度，向反应体系中引入适量的硅烷气体，从而制得一种高硅氧比的硅氧材料。所制得的高硅氧比的硅氧材料，由于硅含量较高，作为锂电池的负极材料，在首次使用时形成的硅酸锂较少，因此能够提高负极材料的比容量和首效，并减少锂资源的浪费。

具体而言，本发明提供一种制备Si与O的摩尔比大于1的硅氧材料的方法，所述方法包括：

(1)减压条件下将硅粉与二氧化硅粉的混合物加热至1250℃-1350℃，其中，所述硅粉与二氧化硅粉的摩尔比大于1；和

(2)通入硅烷气体进行反应；

由此制得所述硅氧材料。

在一个或多个实施方案中，所述减压条件为0.01MPa到0.20MPa。

在一个或多个实施方案中，所述硅粉和二氧化硅粉的颗粒大小均为毫米级。

在一个或多个实施方案中，所述二氧化硅粉为毫米级石英砂。

在一个或多个实施方案中，所述硅粉和二氧化硅粉的粒径范围为1-2.5mm。

在一个或多个实施方案中，所述硅烷气体包括：甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷或其组合。

在一个或多个实施方案中，通入所述硅烷气体时，同时通入惰性气体。

在一个或多个实施方案中，所述惰性气体选自：氦气、氖气、氩气或其组合。