[发明专利]锂镁硅合金熔炼方法

说明书

本发明涉及金属熔炼领域，公开了一种锂镁硅合金熔炼方法。本发明公开的锂镁硅合金熔炼方法，包括如下步骤：锂镁反应：按照锂镁硅合金Li₂MgSi中各元素的总体原子比例，向熔炼釜中加入单质锂和单质镁，控制温度至锂镁反应温度，生成锂镁金属间化合物LiMg₂；锂镁硅反应：按照锂镁硅合金中各元素的总体原子比例，再加入单质硅，控制温度至锂镁硅反应温度，生成锂镁硅合金Li₂MgSi。本申请的锂镁硅合金熔炼方法相较于现有的熔炼方法，可以防止生成锂硅二元合金，保证锂镁硅合金的质量，且反应温度更低，安全性更好；相较于固相反应法工艺简单，生产效率更高，可实现批量稳定制备。

技术领域

本发明涉及金属熔炼领域，尤其是一种锂镁硅合金熔炼方法。

背景技术

直接使用锂合金代替金属锂作为阳极在无锂合金阳极中，如Sn-Sb,Sn-Co,Ni-Sn合金等，没有预存储锂，整体能量密度受到低容量的金属锂氧化物阴极的限制，而纯金属锂阳极面临着高反应性和不可控的枝晶生长含锂合金阳极既继承了合金阳极的优良性能，又继承了纯锂金属阳极的优良性能。在过去的40年里，有大量的文献报道了用含锂合金作为锂离子电池的负极材料。从已报道的文献中，我们可以得出结论，合成这些锂合金的方法有几种，包括；熔炼反应、电化学锂化/沉积、磁控溅射和球磨。每种方法各有优缺点，如熔炼反应法和球磨法操作方便，设备价格不贵。电化学锂化法操作更复杂，但适用于几乎所有的锂合金。使用磁控溅射法，合金的成分和厚度很容易调整，但不能普遍地对每一种合金和设备昂贵。

在合金材料领域，熔炼法依然是最容易实现，相对工艺最简易、更易大规模工业化生产的方法，但是其合金化过程中的投料均匀性问题随着合金体系的繁多而更加复杂。相对于机械合金化等微观、介观尺度的合金化反应，熔炼法更易造成局部的不均匀，或有生成焓更低的金属间化合物优先生成形成杂相。而为了解决这些问题，使用者们不得不增加额外工艺削弱其影响，例如更高的合金化温度，更加剧烈的搅拌及更长的制备周期。造成极大的成本及不必要的资源浪费，因此，更加科学合理的分析其中各个组元在不同温度下的工艺条件是非常有必要的。

在现有的文献介绍中，锂镁硅三元合金Li₂MgSi被提出具有优良的电化学性能，有望成为下一代锂离子电池负极材料。但是通过传统的合金熔炼的方法容易形成锂硅二元合金Li₅Si₂和Li₇Si₃，通过美国西北大学Chris Wolverton团队创建的材料DFT计算热力学和结构性质的数据库查阅发现，目标合金Li₂MgSi生成焓为-0.254eV/atom，大于Li₅Si₂的-0.273eV/atom及Li₇Si₃的-0.268eV/atom，这表明当在熔融的金属锂中同时投入硅和镁原料，生成Li5Si2、Li7Si3更加稳定，因而在最终产物中会夹杂Li5Si2、Li7Si3，Li₅Si₂、Li₇Si₃的熔点温度为750℃左右。因此采用传统的熔炼釜制备该材料需要至少耐熔融金属锂液800℃的腐蚀，对材质考验极大，较难实现。

因此，在Li2MgSi制备过程中因避免锂硅金属间化合物的形成，有文献采用第一性原理计算通过优先生成Mg2Si再与金属锂通过固相反应法生成Li2MgSi，描述了在外界电压下可将锂原子嵌入Mg2Si中，反应方程式为Mg₈Si₄+8Li→Mg₄Si₄Li₈+4Mg。但是，固相反应法无疑是效率较低的，不适用于工业生产。除此之外，通过对现有合金制备产线分析及相关专利检索，尚无锂镁硅三元合金的制备工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以稳定批量生产的锂镁硅合金熔炼方法。

本发明公开的锂镁硅合金熔炼方法，包括如下步骤：