[發明專利]鋰鎂硅合金熔煉方法

在審

• 申請號: 202211425059.6
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115786751A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 劉科成;莫川;劉強;李露;王廣;王蘇
• 申請（專利權）人: 重慶天齊鋰業有限責任公司;天齊創鋰科技（深圳）有限公司
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22F1/16
• 代理公司: 成都希盛知識產權代理有限公司 51226
• 代理人: 張行知

本發明涉及金屬熔煉領域，公開了一種鋰鎂硅合金熔煉方法。本發明公開的鋰鎂硅合金熔煉方法，包括如下步驟：鋰鎂反應：按照鋰鎂硅合金Li₂MgSi中各元素的總體原子比例，向熔煉釜中加入單質鋰和單質鎂，控制溫度至鋰鎂反應溫度，生成鋰鎂金屬間化合物LiMg₂；鋰鎂硅反應：按照鋰鎂硅合金中各元素的總體原子比例，再加入單質硅，控制溫度至鋰鎂硅反應溫度，生成鋰鎂硅合金Li₂MgSi。本申請的鋰鎂硅合金熔煉方法相較于現有的熔煉方法，可以防止生成鋰硅二元合金，保證鋰鎂硅合金的質量，且反應溫度更低，安全性更好；相較于固相反應法工藝簡單，生產效率更高，可實現批量穩定制備。

技術領域

本發明涉及金屬熔煉領域，尤其是一種鋰鎂硅合金熔煉方法。

背景技術

直接使用鋰合金代替金屬鋰作為陽極在無鋰合金陽極中，如Sn-Sb,Sn-Co,Ni-Sn合金等，沒有預存儲鋰，整體能量密度受到低容量的金屬鋰氧化物陰極的限制，而純金屬鋰陽極面臨著高反應性和不可控的枝晶生長含鋰合金陽極既繼承了合金陽極的優良性能，又繼承了純鋰金屬陽極的優良性能。在過去的40年里，有大量的文獻報道了用含鋰合金作為鋰離子電池的負極材料。從已報道的文獻中，我們可以得出結論，合成這些鋰合金的方法有幾種，包括；熔煉反應、電化學鋰化/沉積、磁控濺射和球磨。每種方法各有優缺點，如熔煉反應法和球磨法操作方便，設備價格不貴。電化學鋰化法操作更復雜，但適用于幾乎所有的鋰合金。使用磁控濺射法，合金的成分和厚度很容易調整，但不能普遍地對每一種合金和設備昂貴。

在合金材料領域，熔煉法依然是最容易實現，相對工藝最簡易、更易大規模工業化生產的方法，但是其合金化過程中的投料均勻性問題隨著合金體系的繁多而更加復雜。相對于機械合金化等微觀、介觀尺度的合金化反應，熔煉法更易造成局部的不均勻，或有生成焓更低的金屬間化合物優先生成形成雜相。而為了解決這些問題，使用者們不得不增加額外工藝削弱其影響，例如更高的合金化溫度，更加劇烈的攪拌及更長的制備周期。造成極大的成本及不必要的資源浪費，因此，更加科學合理的分析其中各個組元在不同溫度下的工藝條件是非常有必要的。

在現有的文獻介紹中，鋰鎂硅三元合金Li₂MgSi被提出具有優良的電化學性能，有望成為下一代鋰離子電池負極材料。但是通過傳統的合金熔煉的方法容易形成鋰硅二元合金Li₅Si₂和Li₇Si₃，通過美國西北大學Chris Wolverton團隊創建的材料DFT計算熱力學和結構性質的數據庫查閱發現，目標合金Li₂MgSi生成焓為-0.254eV/atom，大于Li₅Si₂的-0.273eV/atom及Li₇Si₃的-0.268eV/atom，這表明當在熔融的金屬鋰中同時投入硅和鎂原料，生成Li5Si2、Li7Si3更加穩定，因而在最終產物中會夾雜Li5Si2、Li7Si3，Li₅Si₂、Li₇Si₃的熔點溫度為750℃左右。因此采用傳統的熔煉釜制備該材料需要至少耐熔融金屬鋰液800℃的腐蝕，對材質考驗極大，較難實現。

因此，在Li2MgSi制備過程中因避免鋰硅金屬間化合物的形成，有文獻采用第一性原理計算通過優先生成Mg2Si再與金屬鋰通過固相反應法生成Li2MgSi，描述了在外界電壓下可將鋰原子嵌入Mg2Si中，反應方程式為Mg₈Si₄+8Li→Mg₄Si₄Li₈+4Mg。但是，固相反應法無疑是效率較低的，不適用于工業生產。除此之外，通過對現有合金制備產線分析及相關專利檢索，尚無鋰鎂硅三元合金的制備工藝。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種可以穩定批量生產的鋰鎂硅合金熔煉方法。

本發明公開的鋰鎂硅合金熔煉方法，包括如下步驟：