[发明专利]锂离子电池硅基合金负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及化学电池领域，尤其涉及一种锂离子电池硅基合金负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

负极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，是决定锂离子电池性能和价格的重要因素，但负极材料方面的进展仍相对滞后。目前商业化的负极材料主要是石墨，其实际容量已接近理论值（372 mAh/g），不能满足高性能高容量锂离子电池，特别是高能量密度薄膜锂离子微电池的要求。另一方面，石墨类碳材料的嵌锂电位主要集中在100-0 mV (vs. Li/Li⁺)范围内，非常接近金属锂的沉积电势，不利于电池的安全性。因此，制备比容量高、安全性能可靠的新型锂离子电池负极材料已成为科学研究和产业开发的重要方向。

硅是迄今为止理论容量最高（理论比容量为4212 mAh/g）的负极材料，因而也受到了广泛的研究。但硅的最大的问题是其在充放电过程中，伴随着巨大的体积变化，其体积膨胀率高达270%，硅的粉化使活性材料剥落，最终导致电极的容量大幅度下降甚至完全失效。为了使硅材料具有高容量的同时，还具有较好的循环性能，人们主要通过制备硅基复合材料、制备非晶硅材料和制备硅基合金三种方法来提高循环性能。

硅基合金的研究主要集中在Si-M二元合金体系，其中M可以是惰性的金属，如Co，Fe，Mn，Ni，V及Zr等在整个充放电过程中不具有嵌锂/脱锂活性，纯粹起支撑结构作用；也可以是能够参与锂的脱嵌反应的金属，如Sn、Ag，Ca，Mg等，本身具有嵌锂/脱锂活性，但与硅的电位不同，因此它们的复合将使材料的体积膨胀发生在不同电位下，缓解由此产生的内应力，从而提高材料的循环稳定性。与纯硅相比，硅合金用作负极材料在一定程度上减弱了电极材料的体积效应，提高了循环性能。目前常用的硅合金材料有Fe-Si合金，由于Fe、Ni等都是惰性元素，虽然提高了循环性能，但大大降低了负极材料比容量，因而无法满足实用化的需要。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池硅基合金负极材料及其制备方法和锂离子电池，旨在解决现有的硅基合金负极材料存在的严重体积膨胀等问题。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，其中，所述锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法具体包括如下步骤：

称取称取高纯硅粉和金属锑粉，按一定的摩尔比混合均匀放入真空球磨罐，同时加入球磨控制剂，充入惰性保护气体，高能球磨10-15h，得到硅基合金负极材料；将硅基合金负极材料放入真空干燥箱中加热除去球磨控制剂，得到所述锂离子电池硅基合金负极材料。 

所述的锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，其中，所述高纯硅粉和金属锑粉的摩尔比为1~5:1~7。

所述的锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，其中，所述球磨控制剂为无水乙醇、丙酮、硬脂酸中的一种或两种以上的混合物，加入体积量占真空球磨罐体积的25-35%。

所述的锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，其中，所述惰性气体为氩气、氮气、氢气和它们的混合气体。

所述的锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，其中，所述放入真空干燥箱中加热除去球磨控制剂过程中，温度控制在100-150℃。

一种锂离子电池硅基合金负极材料，其中，所述锂离子电池硅基合金负极材料采用如上所述的锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法制备得到，所述锂离子电池硅基合金负极材料是一种硅-锑互不溶合金负极材料。

一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极和负极，其中，所述负极用如上所述的锂离子电池硅基合金负极材料制备而成。

有益效果：本发明的制备工艺简单，易规模化生产；制备得到的硅-锑互不溶合金负极材料比容量高，具有良好的导电性、电化学活性和循环稳定性，特别适用于制造锂离子电池负极。

附图说明

图1为实施例1制备的硅-锑二元合金负极材料Si_0.8Sb的XRD图。

图2a为实施例1制备的硅-锑二元合金负极材料Si_0.8Sb能谱分析结果。

图2b为实施例1制备的硅-锑二元合金负极材料Si_0.8Sb能谱分析结果图中选择的谱图区域内的元素分析图。

图3为实施例1制备的硅-锑二元合金负极材料Si_0.8Sb中Si元素面扫图。