[發(fā)明專利]一種摻混納米相材料及其制備方法和用途

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610019389.3
• 申請(qǐng)日: 2016-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN105692630A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅飛;董金平;劉柏男;褚賡;陸浩;李泓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所;四川創(chuàng)能新能源材料有限公司
• 主分類號(hào): C01B33/18
• 分類號(hào): C01B33/18;C01B35/10;B82Y30/00
• 代理公司: 北京億騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 11309
• 代理人: 陳霽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種摻混納米相材料及其制備方法 和應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前，鋰離子電池常用的負(fù)極材料有碳負(fù)極材料(包括石墨，軟碳和硬 碳)和Li₄Ti₅O₁₂，但是它們的克容量提升空間有限，不利于高能量密度鋰離 子電池的開發(fā)和設(shè)計(jì)。業(yè)界對(duì)高能量密度鋰離子電池有著迫切需求，因此， 急需開發(fā)高容量和高穩(wěn)定性的電極材料。

硅，錫，鍺，銻，鋁，鎂等材料是新型高容量負(fù)極材料，作為下一代 鋰離子電池負(fù)極材料具有很大潛力。該類材料嵌鋰時(shí)，可與鋰可以形成合金， 比如Li₄.₄Si、Li₄.₄Sn，這類材料具有較高理論容量，比如硅負(fù)極材料具有高達(dá) 4200mAh/g(高溫)的理論容量，即使在室溫下也具有高達(dá)3590mAh/g的理 論容量，幾乎是現(xiàn)有鋰離子電池石墨負(fù)極材料容量的10倍。然而，這類材料 在實(shí)際使用時(shí)存在諸多問題。在鋰進(jìn)出硅材料的過程中存在巨大的體積形變， 在材料內(nèi)部形成巨大應(yīng)力，造成極片裂紋，活性材料層剝離，材料粉化以及 SEI膜不穩(wěn)定進(jìn)而導(dǎo)致容量和循環(huán)急劇衰減；此外硅屬于半導(dǎo)體材料，電子電 導(dǎo)差，不能滿足實(shí)際電池電極對(duì)電子電導(dǎo)的需要。

解決該類材料在循環(huán)過程中的遇到的上述問題主要是通過減小顆粒尺寸， 摻混或混合以及包覆。有文獻(xiàn)報(bào)道，在抑制合金類材料的裂紋方面，合金材 料的尺寸尤為關(guān)鍵。對(duì)硅材料而言，低于該材料的臨界尺寸后，在材料應(yīng)力 的釋放過程中可以減少裂紋。不同形貌的硅材料的臨界尺寸也不相同。比如 硅納米線的臨界尺寸為300nm，多晶納米顆粒的臨界尺寸為140nm，薄膜材 料的臨界厚度為100nm-200nm。可以發(fā)現(xiàn)，盡可能把這類材料的尺寸降低到 納米級(jí)別能夠有效抑制裂紋。

目前，制備納米材料主要有氣相裂解法，激光等離子法，液相法，蒸發(fā) 法等。然而，這些方法制備納米材料成本比較高，主要原因是原材料和設(shè)備 昂貴，同時(shí)生產(chǎn)量有限，難以獲得粒度分布集中的批量級(jí)納米材料，此外在 制備過程難以進(jìn)行摻混及混合。比如，氣相裂解法主要為硅烷法，就是最終 用硅烷熱解制納米硅的方法，又分為硅鎂合金法工藝(Komatsu硅化鎂法)、 氯硅烷歧化工藝(UnionCarbide歧化法)、金屬氫化物工藝(MEMC公司發(fā) 明的新硅烷法)。這些方法的原料和設(shè)備造價(jià)高，同時(shí)制備硅烷的過程以及 氣相裂解的過程中存在嚴(yán)重的安全隱患，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。激光等離子法、 液相法和蒸發(fā)法同樣存在氣相法的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種摻混納米相材料 的制備方法，該方法以下步驟：

Si及其氧化物SiOx中的一種或多種作為粉體材料加入到溶劑中，其中 0<x≤2；含有Li、Sn、Ge、Sb、Al、Mg、Bi、Ag、B、C、N、F、Na、P、 Cu、Zn、Ga、Mo、V、Ti的單質(zhì)或化合物中的一種或多種的物料加入到所述 溶劑中；所述溶劑加入分散劑，分散均勻后，進(jìn)行研磨。

優(yōu)選地，所述粉體材料的粒徑為0.001μm～50μm；所述粉體材料按照固 含量為1～50％的比例加入到溶劑中。

優(yōu)選地，所述分散劑包括十二烷基苯磺酸類、尿素、多聚磷酸鈉、硅酸 鹽類、聚乙二醇、羧甲基纖維素鈉、海藻酸類、聚丙烯酸類、聚乙烯吡咯烷 酮、木質(zhì)素磺酸類、腐植酸鈉中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮、水、酒精、乙二醇、甘油、聚 乙烯吡咯烷酮、丙酮、環(huán)己烷、丁酮、丁醇中、苯類中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述研磨包括初磨和細(xì)磨。

優(yōu)選地，所述初磨包括攪拌球磨；所述初磨持續(xù)2～8小時(shí)。

優(yōu)選地，所述細(xì)磨為利用含有研磨球的循環(huán)式研磨機(jī)或高能球磨機(jī)進(jìn)行 的細(xì)磨，溫度在-50℃～100℃之間，持續(xù)2～40小時(shí)。

優(yōu)選地，所述研磨球?yàn)檠趸喦颉诫s氧化鋯球、氧化鋁球、碳化硅球 中的一種；所述研磨球的粒徑為0.01mm～5mm。

優(yōu)選地，對(duì)所述細(xì)磨產(chǎn)物進(jìn)行除磁；更優(yōu)選地，利用除磁機(jī)除去所述細(xì) 磨產(chǎn)物的游離過渡金屬。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了根據(jù)第一方面所述的摻混納米相材料的 制備方法制備的摻混納米相材料，所述摻混納米相材料粒徑為1nm～500nm。