[发明专利]一种掺镁氧化亚硅复合负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种掺镁氧化亚硅复合负极材料的制备方法，将气流粉碎过程中产生的氧化亚硅细粉经过预镁化、硅溶胶包覆、刻蚀得到一种内壳和外层中间存在空隙的掺镁氧化亚硅复合负极材料。该负极材料具有多级体积缓冲性能，能够有效缓解氧化亚硅充放电过程中的体积膨胀，该负极材料制备工艺简单、生产成本低，并表现出良好的电学性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池的技术领域，特别涉及一种锂离子电池的掺镁氧化亚硅复合负极材料的制备方法。

背景技术

硅基负极材料一般包括单质纳米硅和氧化亚硅，单质硅理论容量高，但在锂离子嵌入时其体积膨胀高达300％，即便是对其进行各种形式的碳包覆，在循环过程中也会出现材料开裂粉化的现象。而氧化亚硅材料，虽然理论容量不及单质硅那么高，但其在嵌锂时的体积膨胀也相对较小，是目前比较有潜力能够大规模应用的硅基负极材料。

即使氧化亚硅膨胀系数相对单质硅而言稍低，也达到了110％，远高于主流的石墨负极，在反复脱嵌离子过程中依然会由于较大的体积膨胀出现材料开裂粉化等现象，极大影响氧化亚硅材料的循环稳定性；此外，由于氧化亚硅材料在首次嵌锂时会形成Li₂O和Li₄SiO₄等不可逆的惰性物质，导致其首次库伦效率偏低，这些都制约着氧化亚硅材料的商业化应用。此外在氧化亚硅负极材料的制备中，气流粉碎过程中产生较多细粉，无法有效利用，导致资源的极大浪费和制备成本的增加。

为此，我们提出了一种利用低成本方式来制备高首效和长循环稳定性的氧化亚硅复合负极材料的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺镁的氧化亚硅材料，来解决上述氧化亚硅作为锂离子电池负极材料时存在的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池的掺镁氧化亚硅复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.按一定质量比称取氧化亚硅细粉(例如气流粉碎过程中产生的氧化亚硅细粉)和金属镁粉，混合均匀，并进行高温烧结，对烧结后的物质进行破碎，得到前驱体1；

步骤2.将非无定形的碳材料分散于硅溶胶中得到硅溶胶复合材料；

步骤3.将前驱体1均匀分散于硅溶胶复合材料中，喷雾干燥、烧结、粉碎，制备得到具有核壳结构的前驱体2；

步骤4.用HF溶液对前驱体2进行刻蚀，过滤、洗涤至中性后干燥，最后得到一种掺镁氧化亚硅复合负极材料。

进一步的，在步骤1中所用氧化亚硅细粉的粒径满足0.5um≤D50≤2um，金属镁粉的粒径满足0.5um≤D50≤2um。

进一步的，步骤1中所述镁粉和氧化亚硅细粉质量比为(1～5)：(19～28)；

进一步的，步骤1中，其烧结过程为以3℃/min～5℃/min的升温速度由室温升高至300℃～500℃，保温1h～3h，再以5℃/min～8℃/min的升温速度升高至950℃～1100℃，保温1h～3h，最后以1℃/min～3℃/min的升温速度升高到1200℃～1500℃，保温3h～24h。

进一步的，步骤1中最终破碎后的前驱体1的粒径满足4um≤D50≤8um。

进一步的，步骤2中非无定形的碳材料可以是一维、二维、三维结构中的一种，优选石墨烯、碳纳米管、碳纤维、气相生长碳纤维增强体；进一步的，石墨烯片层厚度1-20nm，优选2-10nm；碳纳米管的直径为20-40nm，长度10-30μm；碳纤维和气相生长碳纤维增强体的长度为10-100μm。

进一步的，步骤2中硅溶胶固含量为20-60％，硅溶胶中二氧化硅颗粒粒径为6-50nm；