[发明专利]一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料的制备方法，以商业化的含有SiOx相的固体颗粒及金属/非金属或其合金为原料，在真空或持续氩气气流下将金属/非金属或其合金在特定温度下以饱和蒸气压的形式升华，在含有SiOx相的固体颗粒粉末表面发生气固反应并进行固相传质，进一步热处理与包覆处理，制得体相掺杂的纳米硅复合阳极材料。本发明方法反应柔和、均匀，适合于工业化大规模生产。本发明制备的纳米硅复合阳极原始结构保持良好、首次库伦效率高、循环好。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池使用的高首次效率的纳米硅复合阳极材料及其制备方法。

背景技术

由于现有材料体系的限制，商业化摇椅式锂离子电池以及电池组的能量密度已经达到瓶颈。为了提升商业化的锂离子电池及其电池组的能量密度，满足市场及应用的要求，高容量阳极材料是未来锂离子电池阳极材料的重要发展方向之一。然而现在能被商业化应用的高能量密度硅基阳极材料，都由于活性界面及SiOx相的存在造成了材料首次效率的低下。目前的主流处理方法是在高容量的阳离子材料表面进行一次包覆处理，在原料制备的过程中直接进行掺杂，或者将掺杂元素的化合物以固固反应的形式进行掺杂。

如CN200910082125.2，将硅的氧化物和金属球磨机械混合后再进行固相反应。该种工艺虽然提高了材料的首效但是加工过程对基体材料的破坏严重，颗粒表面不规则活性点位多，材料循环性能得不到改善。

如EP3136477A1，在原材料制备阶段固相混合在高温下进行原位掺杂，但是该方法温度高，如果涉及高活性的碱金属危险性大，对设备要求高，大规模量产工艺及控制复杂。

基于此，本发明提供了一种以含有SiOx相的材料及金属/非金属或其合金为原料，在真空或持续氩气气流下及一定温度下将金属/非金属或其合金在特定温度下以饱和蒸气压的形式升华，并由于真空系统的引导或氩气的携带传导至含有SiOx相的固体颗粒粉末表面发生气固反应并进行固相传质，并对材料进行进一步热处理与包覆处理，制得体相掺杂的硅酸盐/多元氧化物相复合的一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料，其特征在于：所述纳米硅复合阳极材料由纳米硅、金属氧化物/金属硅酸盐、碳包覆层组成，所述碳包覆层位于最外层，所述纳米硅、金属氧化物/金属硅酸盐均被包裹在碳包覆层内部，所述纳米硅均匀分散在金属氧化物或金属硅酸盐中，所述金属氧化物/金属硅酸盐与纯纳米硅的摩尔比为1:20-3:1。

上述一种用于锂离子电池的纳米硅复合阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

B1、以含有SiOx相的固体颗粒为基体，以Mg/Li/Na/K/Ca/Sr/Ba/Ti/Zr/B/Al/Co单质、合金或固溶体为掺杂原料，将掺杂原料加热到200℃-700℃,使掺杂原料升华，形成掺杂蒸汽；

B2、将含有SiOx相的固体颗粒加入到反应器中，在真空扩散条件下或者氩气流携带下，将掺杂蒸汽通入到反应器中，加热反应器到500-800℃，使得掺杂蒸汽与含有SiOx相的固体颗粒接触并发生气固反应；

B3、气固反应0.5-24h后，停止通入掺杂蒸汽，在惰性气体保护下将反应后的固体颗粒转移至新的反应腔室，将反应腔室压力控制在0.8-2.0atm，温度控制在800℃-1100℃，热处理2-8h，同时通入气体碳源进行CVD包覆；

B4、包覆完成后，冷却至室温，将反应腔室恢复常压，取出物料，解聚过筛得到纳米硅复合阳极材料。