[发明专利]一种激光诱导硅氧化物歧化的方法和应用

说明书

本发明提供了一种激光诱导硅氧化物歧化的方法和应用；所述激光诱导硅氧化物歧化的方法包括以下步骤：a)将硅氧化物置于激光光束正下方，进行连续激光辐照，得到纳米晶体硅；所述激光的功率密度为5kW/mm²～20kW/mm²。与现有技术相比，本发明提供的方法采用特定功率密度的激光处理硅氧化物，能够诱导硅氧化物歧化，得到纳米晶体硅；本发明提供的方法快速、高效、便捷，同时歧化效果好且可控性强，得到的纳米晶体硅颗粒均匀性好，应用于锂离子电池负极材料能够提高电池首次库伦效率。实验结果表明，本发明提供的激光诱导硅氧化物歧化的方法处理后的硅氧化物负极片表现出更高的可逆容量和效率，首次库伦效率提高了近10％。

技术领域

本发明涉及硅氧化物技术领域，更具体地说，是涉及一种激光诱导硅氧化物歧化的方法和应用。

背景技术

硅氧化物(silicon suboxides)或氧化亚硅，用SiO_x表示(其中氧含量0＜x＜2)，是一种介于硅和二氧化硅(SiO₂)之间的无定形化合物；它是一种应用广泛的材料，作为制备精细陶瓷的原料具有重要价值，在光学保护涂层以及半导体材料制造中也发挥重要作用。近年来，随着锂离子电池的发展，人们逐渐意识到硅氧化物作为锂离子电池负极活性材料的应用价值，与现有的锂离子电池负极材料石墨或硅相比，硅氧化物有着比硅更低的体积膨胀和比石墨更高的容量，能够带来更优异的电化学性能；但是硅氧化物用于负极材料也存在两个的问题，一是仍然不可忽视的体积膨胀导致的循环性能衰减，二是不可逆相的生成导致的首次库伦效率低。在各种提升硅氧化物负极电化学性能的方法中，高温歧化(disproportionation，自身氧化还原反应，硅氧化物在高温下歧化为Si和更高价硅的硅氧化物SiO_x)是一种简单可行的途径。硅氧化物经过歧化反应改变了其化学成分，生成的纳米晶体硅(晶粒尺寸在纳米尺度范围内的晶体硅，用nc-Si表示)均匀分散在无定型的硅氧化物基质中，同时硅氧化物中的硅逐渐向高价Si⁴⁺靠近，首次嵌锂平台逐渐接近单质硅，不可逆锂化产物减少，从而提升电池循环稳定性和首次库伦效率。

目前，硅氧化物的歧化方法主要是高温炉煅烧，其步骤为：(1)将硅氧化物置于惰性气氛炉中；(2)以3℃/min的升温速率加热至1200℃；(3)在1200℃下保温12h；(4)冷却至室温后取出样品(Hwa Y,Park C M,Sohn H J.Modified SiO as a high performanceanode for Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2013,222:129-134)。

但是，高温煅烧的方法诱导硅氧化物歧化很大程度上依赖退火温度和时间(ParkC M,Choi W,Hwa Y,et al.Characterizations and electrochemical behaviors ofdisproportionated SiO and its composite for rechargeable Li-ion batteries[J].Journal of Materials Chemistry,2010,20(23):4854-4860)，温度较低(＜800℃)和退火时间不足都达不到歧化效果，然而温度过高生成的SiO₂过多又会阻碍硅氧化物活性的发挥；此外，在高温管式炉中加热硅氧化物需要一直通入高纯度氩气维持惰性气氛，条件苛刻复杂，并且需要长时间的高温退火，反应缓慢，耗时长。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光诱导硅氧化物歧化的方法和应用，本发明提供的方法快速、高效、便捷，同时歧化效果好且可控性强，得到的纳米晶体硅颗粒均匀性好，应用于锂离子电池负极材料能够提高电池首次库伦效率。

本发明提供了一种激光诱导硅氧化物歧化的方法，包括以下步骤：

a)将硅氧化物置于激光光束正下方，进行连续激光辐照，得到纳米晶体硅；