[發明專利]一種鋰電池的銅?鋁?硅合金納米負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710937339.8
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107732197A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 王宥宏;劉憶恩
• 申請（專利權）人: 山西沃特海默新材料科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/46;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙)14109
• 代理人: 冷錦超

技術領域

本發明一種鋰電池的銅-鋁-硅合金納米負極材料及其制備方法，屬于鋰電池負極材料技術領域。

背景技術

新材料和清潔能源都是國家層面的重點發展方向，鋰離子電池是目前儲能技術中應用最廣泛的儲能電芯，提高電芯能量存儲密度是全世界追求的目標，電芯能量密度的提高主要依賴于其正、負極材料的發展進步，但也與鋰離子電池的正負極集流體、正負極粘結劑、電解液和隔膜等材料的進步有關。

鋰離子電池的核心部分是正、負極電極材料，它直接決定著電池的使用性能。能量密度、循環壽命、循環效率和安全性能都是電極材料的關鍵指標。目前，最常見的商業鋰電池負極材料主要是碳類和硅碳類材料，它們具有較穩定的循環性能、較高的循環效率和安全無污染等優點，但碳類材料的容量己經接近其理論容量（372mAh/g)，比容量的開發潛力小；硅碳類材料是對碳類材料的革新，在碳類材料中加入3～15%的硅使負極材料的克容量達到420mAh上下，通過該方法繼續提高克容量存在技術壁壘。純硅的理論儲鋰比容量為4200mAh/g，在所有元素中它最高，它作為負極材料可以大幅度提高電池的能量密度，但其循環壽命和循環效率遠比碳材料要差，在鋰化和去鋰化過程中體積變化巨大（>300%）是導致其循環壽命差的主要原因，硅的導電性差是其循環效率低的原因之一，硅的比表面積越大，其循環效率也會越低。如何有效解決硅負極材料的循環壽命短和循環效率低問題是兩大世界難題，至今沒有可行的技術方案。在納米硅顆粒表面包覆碳、石墨烯、鈦等技術都沒有使問題得到根本解決，即使在實驗室取得了較好的研究結果，也沒有辦法將其應用于實際生產。

目前現有技術存在用硅作為負極材料使用時的主要問題：循環壽命短，首周效率低和充放電時間長。本發明合金成分設計與微觀組織結構獨特，霧化所得合金粉末的粒度分布合理，能滿足鋰離子電池涂布需求，同時本發明做成的鋰電池性能優越，具有循環壽命長，首周效率高和充放電時間短的特點。

發明內容

本發明克服現有技術的不足，提供一種高性能鋰電池的銅-鋁-硅合金納米負極材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：一種鋰電池的銅-鋁-硅合金納米負極材料，由以下重量份原料構成：硅37～42份，銅55～62份，鋁4～15份，雜質0～3份；

所述的合金納米負極材料整體包含：氣孔、縮孔、縮松、位錯、空位和空穴的多缺陷組織結

構，粒徑≤80μm。

進一步的，所述的雜質為：鈦，鈷，鎳，錳，鐵，硼，磷，碳的任意種的混合。

一種制備鋰電池的銅-鋁-硅合金納米負極材料的方法，包括：配料步驟；熔煉步驟；制粉步驟；分離和篩選步驟；真空干燥步驟，其特征在于：所述的熔煉步驟包括：感應加熱，熔煉時間20～30min，達到熔融態，出爐溫度為1360±50℃。

進一步的，所述的水霧化制粉如下：

第一步，開啟霧化裝置的中間包系統，中間包漏嘴內徑選用φ6～14mm；

第二步，調節銅-鋁-硅合金的液態溫度達到1360±50℃時，使得爐料成熔融態；

開始向中間包中澆入液體金屬，調節水霧化壓力300～450Mpa，進行水霧化制粉。

進一步的，所述的制粉步驟為氣霧化制粉，所述的氣霧化制粉如下：

第一步，開啟霧化裝置的中間包系統，中間包漏嘴內徑選用φ6～14mm；

第二步，調節銅-鋁-硅合金的液態溫度達到1360±50℃時，開始向中間包中澆入液體金屬，調節氣霧化壓力10～50Mpa，進行氣霧化制粉；

氣源或為潔凈空氣，或為氬氣，或為氮氣。

進一步的，所述的制粉步驟為超聲氣霧化制粉，所述的超聲氣霧化制粉如下:

第一步，開啟霧化裝置的中間包系統，中間包漏嘴內徑選用φ6～14mm；

第二步，調節銅-鋁-硅合金的液態溫度達到1360±50℃時，開始向中間包中澆入液體金屬，調節超音速氣流的流速為2～2.5馬赫，超音速氣流的脈沖頻率為80～100KHz，氣流壓力為10～50Mpa，進行氣霧化制粉，

氣源或為潔凈空氣，或為氬氣，或為氮氣。

進一步的，在所述分離和篩選步驟后進行真空干燥后，還包括時消除應力的后處理步驟。