[发明专利]硅铁合金/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明的目在于提供一种硅铁合金/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法，以块状硅铁合金(FeSi_x)为原料，采用机械球磨法制备出硅铁合金纳米粉末，然后将硅铁合金纳米粉末与碳源混合，所述碳源在反应过程中原位进行包覆硅材料，再经过煅烧得到硅铁合金与碳的复合材料。本发明方法不使用腐蚀性的酸处，并采用化学包覆进行碳材料包覆，环境友好，能耗低，工艺简单，从而利于规模化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池在电子设备、光电设备及电动汽车上得到广泛应用，随着这些行业的快速发展，对高能量密度和长寿命的锂离子电池需求越来越高。商业石墨负极材料的比容量(372mA·h·g-1)和倍率性能远达不到大型动力电源的应用要求。因此，探索替代石墨的高性能负极材料已成为研究热点。硅被认为是一种很有前景的锂离子电池负极材料，因为它理论比容量高达3580mAh/g(Li_3.75Si，室温下形成)，并且具有合适的嵌脱锂电位(约0.4V)、与电解液反应活性低、安全性好、在地壳中有着丰富的资源等优点。但是，硅材料在充放电过程中会产生巨大的体积膨胀(高达300％)，容易造成活性材料的破碎、粉化脱落，电活性大大降低，表现出很差的循环稳定性。此外，硅材料的电导率低，电荷传输慢。

研究表明，通过纳米化可以缓解硅的体积膨胀，缩短离子扩散路径，提高材料的电化学活性，其次，由于金属普遍具有电导率高、机械强度高的特性，通过合成各种硅基合金可以有效地缓冲硅材料在锂嵌入/脱嵌过程中带来的体积变化，提高材料的结构稳定性以及导电性。硅铁合金在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用，其工艺成熟，原料成本低。利用无定形碳进行包覆，可以有效地提高其导电性能，并为电子的转移和锂离子的传输提供更多的路径，从而提高复合材料的可逆容量，倍率性能和循环性能。

现有的硅铁合金和碳复合物的制备方法通常是将单质铁与单质硅通过高能球磨、高温退火处理得到硅铁合金，再与碳源球磨过后煅烧、经过酸处理得到该复合物，该方法主要缺点为∶①所采用的盐酸、硫酸、硝酸等具有较强的腐蚀性和挥发性，容易造成环境污染；②该工艺较复杂，碳包覆采用球磨法能耗高，且材料粘附设备造成浪费，因此生产成本高，限制了其大规模以及商业化的应用。

发明内容

本发明的目在于提供一种硅铁合金/碳复合锂离子电池负极材料及其制备方法，不使用腐蚀性的酸处理，并采用化学包覆进行碳材料包覆，环境友好，能耗低，工艺简单，从而利于规模化生产。

本发明构思主要是∶以块状硅铁合金(FeSi_x)为原料，采用机械球磨法制备出硅铁合金纳米粉末，然后将硅铁合金纳米粉末与碳源混合，所述碳源在反应过程中原位进行包覆硅材料，再经过煅烧得到硅铁合金与碳的复合材料。

本发明提供的方法具体如下：

1)制备硅铁合金纳米粉末

按照硅铁合金的质量∶不锈钢球的质量∶无水乙醇的体积之比为1∶(1～20)∶(0～1)的比例，其中质量单位为g，体积单位为mL，将硅铁合金、不锈钢球与无水乙醇加入不锈钢球磨罐中充分球磨得到混合液A；将所得混合液A超声破碎，干燥，得到硅铁合金纳米粉末；

2)制备硅铁合金与碳复合物

按照硅铁合金纳米粉末的质量∶碳源的质量比1∶(0.25～4)的比例，其中质量单位为g，体积单位为mL，将硅铁合金纳米粉末、碳源与去离子水搅拌混合得到混合液B；将所得的混合液B进行固液分离，收集固体沉淀物，用去离子水和无水乙醇反复洗涤固体沉淀物，直至滤液为中性(pH＝7)；将所得固体沉淀物干燥后，在惰性保护气氛下，升温至400～800℃保温1～6h后取出，得到硅铁合金与碳的复合材料。

进一步地，步骤(1)中球磨时间为0.5～6小时。