[发明专利]一种碳包覆硅铁合金复合负极材料的制备方法

说明书

一种碳包覆硅铁合金复合负极材料的制备方法，由以下步骤组成：将平均粒度为56µm的Si‑Fe合金、有机碳源和导电剂按质量比为65~90:10~30:0~5混合，加入无水乙醇，以100~400rpm转速球磨1~10h，80~100℃真空干燥5~12h，得到前驱物；将前驱物在惰性气氛下，以5℃/min速率升温至700~1050℃，保温3~5h，随炉冷却至室温，研磨、筛分，得到Si‑Fe/C复合材料。该方法工序简单、易操作性，可重复性好，易实现规模化生产，不会对环境造成二次污染。本发明制备方法制备的Si‑Fe/C复合材料满足高能量密度锂离子动力电池的使用要求。

技术领域

本发明涉及一种碳包覆硅铁合金复合负极材料的制备方法。

背景技术

近年来，随着新能源汽车和储能领域的快速发展，对锂离子电池的性能提出了更高的要求。作为关键负极材料直接影响着锂离子电池的能量密度、功率、安全性，因此，研究开发出适合于锂离子动力电池的新型负极材料受到广泛关注。硅材料凭借最高的理论嵌锂容量4200mAh/g、低脱锂电位、环境友好、资源丰富和成本较低等优势，成为综合性能最优最具发展潜力的新型负极材料。但是该材料在使用过程中，存在过大的体积变化引起的电极容量衰减，以及低电导率引起的电池倍率性能降低等问题。针对上述问题，国内外相关研究工作主要集中在硅的纳米化和复合化，以硅氧化物为核的氧化亚硅复合和变氧型氧化亚硅复合，在硅材料中引入第二金属相的硅金属间化合物等方面。此外，石墨烯和碳纳米管在硅基材料上的应用也受到一定关注。目前，基于硅碳复合负极材料可以大幅度改善锂离子动力电池的性能，其工业化应用得到了前所未有的重视，国内许多负极材料企业加快了硅碳复合负极材料的研发与生产进程，但其首次充放电效率、循环寿命等性能指标仍然有待于进一步提高。

在硅材料中引入第二金属相的硅金属间化合物技术方案中，第二金属可以选择Fe、Mn、Cu等对锂惰性的金属，也可以选择Mg、Ca、Sn等能够参与锂脱嵌反应的金属。硅与第二金属的复合目的是使活性物质 Si 均匀分散在惰性金属基体中，利用金属基体抑制Si在充放电过程中伴随着的体积变化，并且，通过金属基体高的电子导电率提高硅锂之间的电荷传递反应。例如Si-Cu 合金，经热处理在界面上生成的Cu₃Si相可以改善材料的循环稳定性；Si-Fe体系中，FeSi₂相可以作为缓冲层和导电物质来提高材料的导电性和维持结构的稳定性。硅与金属复合的硅金属间化合物可以使硅基材料的循环性能得到一定程度的改善，但是该复合材料较大的容量衰减情况仍是亟待解决的一个主要问题。

CN101436662A公开了一种硅/铁氧化物复合材料的制备方法，该法先将水溶性聚合物与阴离子型表面活性剂混合，然后向其中加入经机械球磨后的单质硅，再加入可溶性铁盐，通过调节pH值形成沉淀，经过滤、洗涤后，干燥、焙烧、粉碎后即得硅/铁氧化物复合材料。该负极材料首次脱锂容量为500~700mAh/g，50次循环后脱锂容量保持在600~650mAh/g，100次循环后脱锂容量保持在500~550mAh/g。该法提供的硅/铁氧化物复合材料的制备工序较复杂，工艺参数较难控制，所合成的硅/铁氧化物复合材料易出现性能一致性较差的问题。

发明内容

本发明的目的主要是针对Si-Fe合金存在固有的缺陷，通过以下技术方案实现一种碳包覆硅铁合金复合负极材料的制备方法，满足高能量密度锂离子动力电池的使用要求。

所述的碳包覆硅铁合金复合负极材料的制备方法，由以下步骤组成：将Si-Fe合金、有机碳源和导电剂按比例混合，加入无水乙醇，球磨，干燥，得到前驱物；将前驱物在惰性气氛下，以5℃/min速率升温至700~1050℃，保温3~5h，随炉冷却至室温，研磨、筛分，得到Si-Fe/C复合材料。

所述的Si-Fe合金、有机碳源和导电剂的质量比为65~90:10~30:0~5。

所述的Si-Fe合金为Si和Fe质量比78.9:21.1，平均粒度为56µm。

所述的有机碳源为沥青、丁苯橡胶或蔗糖。