[发明专利]一种双相硅加硅化镁纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种双相硅加硅化镁纳米复合材料及其制备方法与应用，属于纳米材料技术领域。该双相硅加硅化镁纳米复合材料具有33.3at％至54.1at％的Si含量并且包含具有纳米结构Si生成物的Mg₂Si基体的微结构，微结构通过增加每个Mg₂Si基体和Si生成物界面处的声子散射来增强热电性能，与常规的Mg₂Si材料形态相比，至少能减小材料的导热率，实验证实本发明材料的新型微结构与具有相同合金组成的常规Mg₂Si合金微观结构相比，导热率降低至少10％，优选至少15％；另外，Mg2Si的最大放电容量可达1370mAh/g，工作电压较低，仅为～0.5V，是一种具有良好发展潜力的锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，更具体地说，涉及一种双相硅加硅化镁纳米复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

为了更好的展示本发明独特的优势所在，首先阐述一下相关技术的背景。需要说明的是：有关背景讨论所涉及的材料或技术都是建立在迄今为止已经公开报导的内容基础上。

硅化镁(Mg₂Si)作为一种令人感兴趣的热电材料，具有低密度，载荷大，质量高和流动性强以及无毒(利于环保)等优异性能，而且由于制备所需的原材料(通常是二氧化硅和镁)来源丰富易于获取，同时还兼具了低成本的优势。

热电材料性能用“热电优值”ZT表示：ZT＝(α²σ/k)×T，α为材料的塞贝克系数，σ是电导率，K是热导率，高ZT通过创建具有高a2s和低热导率K的结构来实现。然而，由于硅化镁具有相当高的热导率，因此在传统意义上不能成为很有效的热电材料。最近业界已经认识到：通过降低材料的热导率，可望将次级纳米结构引入硅化镁进而改善Mg₂Si基合金的热电性能，Zide(J.《High efficiency semimetal/semiconductor nanocompositethermoelectric materials》.Appl.Phys.108(2010)123702)发现通过使用干式研磨和随后的放电等离子体烧结工艺引入纳米TiO₂颗粒，可以提高Mg₂Si的热电性能；Yi等人(J.Mater.Chem.22(2012)24805)也证实通过使用固态反应可以将Si纳米颗粒添加到Mg₂Si基质中(Synthesis and characterization of Mg2Si/Si nanocomposites preparedfrom MgH2and silicon,and their thermoelectric properties，J.Mater.Chem.22(2012)24805)。

但上述工艺引入纳米颗粒涉及的具体处理步骤比较复杂，业界亟须开发能够制备双相硅加硅化镁纳米复合材料的替代工艺，以便开发热电性能优良的Mg₂Si纳米复合材料。

硅可以和很多金属元素形成金属硅化物，这些化合物又作为锂离子电池负极材料时，储锂容量普遍低于单质Si，但体积变化更小，有利于材料在脱嵌锂过程中保持结构稳定，从而获得优于单质Si的循环稳定性能。另外，Si合金往往具有更高的电导率，有利于改善Si基负极材料的电化学性能。Mg可以与Si形成Mg₂Si。研究发现，Mg₂Si的最大放电容量可达1370mAh/g，工作电压较低，仅为～0.5V，是一种具有良好发展潜力的锂离子电池负极材料。Mg₂Si本身具有脱嵌锂活性，但是与硅充放电电位不同，因此它们的复合使得材料的体积膨胀在不同电位下进行，缓解由此产生的机械内应力，从而提高整个材料的循环稳定性。