[发明专利]一种多孔硅碳或锗碳材料的制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种多孔硅碳或多孔锗碳材料的制备方法及用途，涉及材料学技术领域。所要解决的问题是提供了一种高比容量以及良好的循环稳定性和倍率性能的复合电极材料以及经济可行的制备工艺。以Li、Si、Zn或Li、Ge、Zn为原料，通过感应熔炼和气雾化制粉工艺形成锂锌硅或锂锌锗合金前驱体颗粒，后经碳包覆工艺形成锂锌硅碳或锂锌锗碳颗粒，再经过氧化环境脱合金化及酸洗过程最终形成多孔硅碳或多孔锗碳复合材料。将制备得到的多孔硅碳或多孔锗碳材料用于锂离子电池负极材料，可获得高比容量、良好循环性能和倍率性能，显示出制备得到的多孔硅碳或多孔锗碳材料是理想的锂离子电池负极材料，可以广泛用于便携式电子设备、电动汽车以及航空航天领域。

技术领域

本发明涉及一种多孔硅碳或多孔锗碳材料的制备方法及用途，属于材料学技术领域。

背景技术

硅和锗具有较高的比容量，同时具有原料来源比较广泛的特点，是下一代锂离子电池理想的负极材料。但其在嵌脱锂过程中存在巨大的体积变化，从而造成电极材料粉化、脱落，最终失去电化学活性，进而使得电池容量快速衰减；此外，硅、锗材料的电子电导率比较差，造成了其倍率性能比较差。为了解决硅、锗材料体积膨胀问题，一般采用将硅、锗材料纳米化、复合化、制备特殊形貌或进行表面包覆等手段；改善其电子电导率的手段一般通过引入高导电相即通过合成复合材料来提高其电子电导率。

将硅、锗纳米化或制备特殊形貌可以较好的解决其体积膨胀问题，但纳米化或制备特殊形貌一般涉及的工艺复杂，制备条件要求比较苛刻，造成生产成本过高，因此很难实现工业化生产；复合化虽然能部分解决材料的体积膨胀问题，但还是不能实现材料的长循环性能；表面包覆虽然能提高材料的循环性能，并且包覆层具有高导电性，可进一步可以提高材料的倍率性能，但是要达到商业应用还有一定的差距。上述原因造成了目前硅碳或锗碳负极材料的工业化生产成本居高不下，严重限制了其商业化应用。

本发明通过合金化、碳包覆、去合金化最终制备出具有多孔结构的多孔硅碳或多孔锗碳材料，材料中的多孔结构能为硅、锗在电化学反应过程中的体积变化预留充分的空间，表面包覆的碳层能为硅、锗材料提供良好的电子电导率，从而最终实现硅、锗材料兼具长循环性能和优异的倍率性能。

本发明中采用感应熔炼技术结合气雾化制粉技术实现了锂锌硅或锂锌锗合金前驱体的批量化制备；碳包覆技术可以实现锂锌硅或锂锌锗合金粉体表面均匀、厚度可控的碳包覆；高温气体氧化可以实现合金中的Li氧化，从而实现去合金化过程；水洗氧化产物Li₂O可以实现锂资源的回收利用，酸洗去Zn也可以实现Zn的回收再利用，同时清洗过程最终实现了硅碳或锗碳中的多孔结构。

发明内容

本发明实施例提供了一种多孔硅碳或多孔锗碳的制备方法和用途。该方法提供了一种低成本、安全可靠、可大规模应用的多孔硅碳或多孔锗碳材料的制备方法。该方法制备的多孔硅碳或多孔锗碳材料中的多孔结构为硅、锗电化学反应中的体积变化预留了充分的缓冲空间，表面包覆的碳能为硅、锗材料提供良好的电子电导率，从而提高了硅、锗材料的循环性能和倍率性能。

一种多孔硅碳或多孔锗碳的制备方法，其特征在于制备步骤如下：

(1)通过感应加热熔炼合成锂锌硅或锂锌锗合金；

(2)通过气雾化制粉工艺得到微米级锂锌硅或锂锌锗合金粉体；

(3)通过有机物裂解或气相CVD或PECVD在锂锌硅或锂锌锗合金粉体表面包覆一层碳材料，形成锂锌硅碳或锂锌锗碳复合材料；

(4)通过高温水蒸气或二氧化碳气体或氧气等混合物将锂锌硅碳或锂锌锗碳复合材料中的Li氧化形成Li₂O，使得锂锌硅或锂锌锗脱合金化；

(5)通过去离子水清洗将步骤(4)中生成的Li₂O清洗掉，后通过酸洗将Zn清洗掉，经过滤、烘干最终得到多孔硅碳或多孔锗碳材料。