[发明专利]一种SiOx

说明书

本发明提供一种SiO_x纳米线及其制备方法和作为锂离子电池负极的应用，属于锂离子电池技术领域。SiO_x纳米线中硅元素与氧元素均匀分布，硅作为活性物质，占主导储锂作用；硅氧化合物作为基质，起缓冲作用。制备方法包括以下步骤：1、利用球磨制备Si‑O前驱体。2、以上述前驱体为原料，采用高频热等离子体一步法制备SiO_x纳米线。高频热等离子具有无电极加热、高温、速冷的特性，制备的SiO_x纳米线直径、长度分布均匀，分散性好，纯度高。等离子体制备SiO_x纳米线工艺简单，成本低，并可大规模连续化生产。本发明制备的SiO_x线作为锂离子电池负极材料，体积膨胀小，结构稳定；容量衰减低，循环性能好。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种SiO_x纳米线及其制备方法和作为锂离子电池负极的应用。

背景技术

锂离子电池具有高电压，高比能量，低重量，低体积，寿命长等优点，是最为优异的电池系统之一。但传统锂离子电池石墨负极材料比容量已经接近其理论值(-372m Ah/g)，难以满足市场的需求。因此开发一种能量密度高，功率密度高，安全性高且成本低的新型负极材料已成为迫切需要。

与石墨材料相比，硅材料作为锂离子电池负极具有极高的理论比容量(4200m Ah/g)，是石墨的10倍以上，被认为是最有潜力取代石墨的负极材料。但硅负极在储锂之后，形成合金相，体积会膨胀400％以上(以Li₂₂Si₅记)。巨大的体积变化会使材料粉化，电极脱落，SEI 膜反复生长等，影响容量及循环效率。而向硅中引入适量的氧已经被证明是缓解体积变化的有效方式。SiO_x在首次嵌锂后生成硅锂酸盐和氧化锂基体，原位形成材料的骨架，能够抑制体积的膨胀。同时，Li⁺在氧化锂中的扩散速率极高，能够显著提高电极的导电性和倍率性能。此外，一维结构能够在径向上降低SiO_x的体积膨胀，轴向上提供Li⁺的快速传输通道，便于改善电极结构的稳定性和电化学性能。

氧化亚硅的生产方法是利用二氧化硅与单质硅的歧化反应，将二氧化硅和单质硅等摩尔混合均匀，通常采用研磨等方式使两者混合均匀，且形成紧密接触，这样有利于反应进行，然后在负压环境下加热到1000℃以上进行歧化反应，歧化反应形成氧化亚硅蒸气，冷凝后得到氧化亚硅固体。为了进一步用于锂离子电池的负极材料，常常采用球磨等手段对氧化亚硅固体进行细化。

专利申请CN108821292A公开了一种方法，将硅单质、不完全氧化的硅和二氧化硅通过进一步氧化、还原或添加二氧化硅达到生成氧化亚硅的理想配比的前躯体，然后高温升华形成氧化亚硅，最后通过冷凝器收集氧化亚硅固体。专利申请CN106608629A公开了一种中频感应加热方式制备高纯氧化亚硅的方法及设备，加热效率高，设备稳定，可以通过加热温度和原料配比的调整获得不同硅氧比产品。

同时，人们尝试了化学气相沉积法、溶胶凝胶法以及高能球磨法等来制备纳米SiO_x。但这些方法大多存在成本高，工艺复杂，实验条件苛刻，难以大规模生产等缺点。高能球磨法被认为是一种具有应用前景的方法，但该方法制备的SiO_x粒径分布不均匀，分散性差，易发生团聚，造成电化学性能的损失。因此，急需一种能够规模化生产分散性好的SiO_x的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiO_x纳米线，该材料能够减少硅的体积膨胀，提高锂离子电池硅基负极材料的稳定性。本发明的另一目的是提供一种制备上述材料的方法，尤其是提供一种热等离子体制备SiO_x纳米线的方法。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种SiO_x纳米线，硅元素与氧元素均匀分布，硅作为活性物质，占主导储锂作用；硅氧化合物作为基质，起缓冲作用。