[发明专利]一种硅基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅基复合材料及其制备方法和应用，具体为，先将商业含氧化硅的原料高温处理，酸洗清洗杂质，得到氧化硅。然后将氧化硅进行镁热还原反应得到纳米硅，再通过球磨将纳米硅和硫化物固态电解质复合，得到硅基复合材料。与现有技术相比，具有耗能低，成本小，周期短等优点，有利于规模化生产。本发明采用非晶硫化物固态电解质包覆纳米硅，通过优化球磨工艺，实现在硅纳米颗粒表面均匀包覆非晶硫化物固态电解质，制备硅/固态电解质复合材料具有高的容量、高的首次库伦效率和优异的循环性能。

技术领域

本发明涉及储能电池的技术领域，具体涉及一种硅基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池现在被广泛用作移动电子设备，如智能手机、笔记本电脑等，并且在电网储能、电动汽车领域具有巨大的市场。但是，随着锂离子电池在电动汽车上大规模使用，传统的石墨基负极不能满足动力电池日益增长高能量密度的要求。相对于石墨基负极，硅基负极的理论容量达到4200mAh/g，具有重要的应用前景。

但在形成锂硅合金的过程中，体积膨胀高达300％，严重影响了材料的循环寿命。目前，提高硅负极循环寿命的措施主要有：与碳材料复合、将硅颗粒尺寸降至纳米级、形成多孔结构。虽然纳米化、复合化可以提高硅基负极的循环性能，但实现纳米硅基材料的简单、规模化制备仍面临很大挑战。另外，不同于石墨负极，硅基负极很难形成稳定的SEI膜，电解液中残留的HF对硅也有腐蚀作用，需要对硅进行一定的表面保护，形成人工SEI膜。

发明内容

本发明提供了一种硅基复合材料，该复合材料由纳米结构的硅颗粒和硫化物固态电解质组成，通过将硅纳米化及与固态电解质的复合化，可有效提高硅基复合材料的电化学性能，特别是首次库伦效率和循环稳定性。

本发明还提供了一种硅基复合材料的制备方法，以廉价的含氧化硅的材料为前驱体，采用简单的镁热还原得到多孔的纳米硅，通过镁热反应过程中的体积变化将微米级的氧化硅还原成纳米级的硅颗粒，再通过简单的球磨法与固体电解质复合，得到硅/固态电解质纳米复合材料。利用固态电解质的保护作用，提高硅基负极的稳定性。

本发明还提供了一种硅基复合材料在锂离子电池中的应用。

本发明具体技术方案如下：

一种硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将含氧化硅的原料高温热处理，再酸洗，得到纯氧化硅；

2)将步骤1)中所得纯氧化硅与镁粉和金属氯化物经球磨混合均匀，得混合物；

3)将步骤2)所得混合物置于气氛保护炉中，通入惰性气体，进行镁热还原反应，冷却至室温，得到镁热还原产物；

4)将步骤3)所得镁热还原产物经酸洗、干燥后，得到纳米硅；

5)将步骤4)所得纳米硅与硫化物固态电解质混合，进行球磨得到硅基复合材料。

步骤1)中所述含氧化硅的原料采用廉价、易得的含氧化硅的原料，优选为硅藻土、高岭土、石英砂或透辉石。

步骤1)中所述高温热处理是指空气气氛中，在温度600～1000℃条件下处理1～5小时。

步骤1)中所述酸洗是指用1～10mol/L的盐酸或硫酸进行清洗，酸洗时间为5～24小时。

步骤1)中先对原料在空气氛下进行高温热处理，可除去前驱体中的有机质和其他挥发分。然后，对高温处理产物进行酸洗，通过清洗，可除去氧化铁、氧化铝、氧化钠、氧化钛等杂质，通过高温处理和酸洗，可得到较纯的氧化硅前驱体。

步骤2)中，镁粉和纯氧化硅摩尔比为2～2.1:1，金属氯化物与纯氧化硅的重量比为5～10:1。