CN111900366A - 一种含锂SiOx粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含锂SiOx粉体的制备方法。所述含锂SiOx粉体中的x为0.9＜x＜1.1，主要成分为SiO、Si、SiO2和含锂化合物，该制备方法包括以下步骤：(1)原料的混合：将高纯Si粉和SiO2粉按一定配比称量，添加一定量的金属锂或者含锂化合物，采用球磨的方法进行混合；(2)含锂SiOx的制备：采用单源蒸发或双源蒸发化学气相沉积法制备含锂SiOx块体；(3)粉体整形：将含锂SiOx块体通过球磨或者气流破碎法进行粉体整形，得到目标含锂SiOx粉体。采用该方法制备SiOx粉体能够有效的实现SiOx材料的预锂化，并能够有效的避免SiOx材料在预锂化过程中的歧化反应。

Description

一种含锂SiOx粉体的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料制备领域，特别涉及一种含锂SiOx粉体的制备方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展和科技的日益发达，作为具有安全、便捷和高效的能量储存和运输方式的储能技术之一，锂离子电池已经被广泛地应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。然而，以石墨作为负极材料的传统锂离子电池因其极低的理论比容量(372mAh/g)，严重限制了锂离子电池向高能量密度方向发展，已经难以满足下一代高比能量锂离子电池的发展需求。因此，开发具有高能量密度和长循环寿命的新型锂离子电池迫在眉睫。
在众多新型负极材料中，Si基材料具有资源丰富、环境友好和超高的理论比容量(4200mAh/g)等优点，是最有潜力替代石墨成为商业化负极材料。但是Si由于在充放电过程中巨大的体积膨胀和高的生产成本严重阻碍了其广泛应用。SiO作为常用的Si氧化物，其理论比容量较高(2600mAh/g)，同时，因其独特的组成和结构，SiO在嵌锂过程中会生成相对稳定的Li2O和锂硅酸盐，这些产物使得其在充放电过程中的体积变化比Si小，循环稳定性明显优于纯Si。
然而，SiO负极材料较低的首次库伦效率、较差的导电性以及有待改善的循环稳定性，严重限制了其实际应用。针对SiO作为锂离子电池负极材料缺点的改进方法主要以下几种：(1)通过减小SiO的粒径来缩短锂离子的扩散距离，提高电子和离子的扩散速率；(2)通过预锂化，在SiO中预形成锂硅酸盐产物实现首次库伦效率提高；(3)通过表面处理(碳包覆)实现提高导电性、降低体积膨胀，从而改善循环稳定性。
现有技术主要采用直接混合法或液相法进行SiO预锂化，直接混合法存在预锂化均匀性差、产品一致性差的缺点；而液相法同样存在产品一致性差的缺点，此外还存在预锂化程度有限、工艺复杂、不易于规模化生产的问题。因而，针对这些问题，需要对SiOx负极材料现有的制备工艺进行进一步的改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种含锂SiOx粉体的制备方法，采用该方法制备SiOx粉体能够有效的实现SiOx材料的预锂化，并能够有效的避免SiOx材料在预锂化过程中的歧化反应。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种含锂SiOx粉体的制备方法，其中，所述含锂SiOx粉体中的x为0.9＜x＜1.1，主要成分为SiO、Si、SiO2和含锂化合物，该制备方法包括以下步骤：
(1)原料的混合：将高纯Si粉和SiO2粉按一定配比称量，添加一定量的金属锂或者含锂化合物，采用球磨的方法进行混合；
(2)含锂SiOx的制备：采用单源蒸发或双源蒸发化学气相沉积法制备含锂 SiOx块体；
(3)粉体整形：将含锂SiOx块体通过球磨或者气流破碎法进行粉体整形，得到目标含锂SiOx粉体。
所述步骤(1)中的Si粉和SiO2粉纯度＞99.9％。
所述步骤(1)中的各种原料的比例为：Si/SiO2比例为0.9-1.1mol％，金属锂或者含锂化合物的添加量为Si粉和SiO2粉总重量的0.5wt％-50wt％。
所述含锂化合物包含但不限于Li2O、LiCl、LiOH、LiNO3、Li2CO3、Li2SiO3、 Li4SiO4、LiAlO2等。
所述步骤(2)中的化学气相沉积法为单源蒸发或双源蒸发化学气相沉积法。
所述步骤(2)中的化学气相沉积反应温度为1000-1500℃，气体冷凝沉积温度为200-800℃，沉积时间为30-180min。
所述单源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉、SiO2粉和金属锂或含锂化合物按一定比例混合均匀后，放入反应器中并加热，汽化后的气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。
所述双源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉与SiO2粉按一定比例混合均匀后，放入其中一个反应器内，将金属锂或者含锂化合物放入另外一个反应器中，然后对两个反应器同时加热，汽化后的混合气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。
所述步骤(2)中化学气相沉积法所用的设备包括但不限于真空感应炉、管式炉等。
所述步骤(3)中的球磨方法为行星球磨，转速为200-600rpm，球磨时间为1～48h。
采用上述方法制备的含锂SiOx粉体由激光粒度仪测试的中位粒径(D50)为 0.1-15μm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明制备的含锂SiOx材料，Li元素以Li2SiO3、Li4SiO4、Li2Si2O5等形式存在于SiOx材料中，能够在有效抑制SiOx负极材料体积效应的同时补充SiOx 首次充放电时消耗的锂离子损失。
(2)采用化学气相沉积法(含双源蒸发化学气相沉积法)制备含锂SiOx材料，具有预锂化均匀性好，易于控制，精确度高，沉积效率高，易于工业化大规模生产的优点。
(3)SiO在高温条件下发生歧化反应生成Si和SiO2，降低了材料作为负极材料的循环稳定性，本发明控制冷凝沉积温度200-800℃，能够有效避免SiO发生歧化反应。
附图说明
图1为化学气相沉积法制备含锂SiOx示意图。
图2为实施例1中含锂SiOx粉体XRD图谱。
图3为实施例2中含锂SiOx粉体XRD图谱。
图4为对比例1中纯SiOx粉体XRD图谱。
图5为对比例2中含锂SiOx粉体XRD图谱。
具体实施方式
以下通过附图和实施例，对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，在本发明的含锂SiOx粉体的制备方法中，在含锂SiOx的制备时可以采用单源蒸发化学气相沉积法或双源蒸发化学气相沉积法。单源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉、SiO2粉和金属锂或含锂化合物按一定比例混合均匀后，放入反应器中并加热，汽化后的气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。双源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉与SiO2粉按一定比例混合均匀后，放入其中一个反应器内，将金属锂或者含锂化合物放入另外一个反应器中，然后对两个反应器同时加热，汽化后的混合气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。
实施例1
按照下述步骤制备改性含锂SiOx粉体：
将99.9％纯度的Si粉、SiO2粉按1/1mol％混合均匀后，加入混合粉体10wt％重量的Li2SiO3粉体，混合均匀后，采用化学气相沉积法在温度为1300℃，冷凝沉积温度200℃，沉积时间60min条件下制备得到含锂SiOx块体，采用气流破碎的方法对含锂SiOx块体进行破碎和粉体整形，整形后粉体由激光粒度仪测试的中位粒径 (D50)为0.25μm；图2为该粉体的XRD图，其中Li以Li2SiO3的形式存在于材料中。
实施例2
按照下述步骤制备含锂SiOx粉体：
将99.9％纯度的Si粉、SiO2粉按1/1.1mol％混合均匀，另取混合粉体15wt％重量的Li2CO3粉体，分别放入不同坩埚中，采用双源蒸发化学气相沉积法，在反应温度为1200℃，冷凝沉积温度300℃，沉积时间45min条件下制备得到含锂SiOx块体，采用行星球磨的方法对含锂SiOx块体进行破碎和粉体整形，球磨转速500rpm，球磨时间6h，整形后粉体由激光粒度仪测试的中位粒径(D50)为0.55μm；图3为该粉体的XRD图，其中Li以Li2SiO3和Li4SiO4的形式存在于材料中。
对比例1
按照下述步骤制备纯SiOx粉体：
将99.9％纯度的Si粉、SiO2粉按1/1mol％混合均匀，混合均匀后，采用化学气相沉积法在温度为1300℃，冷凝沉积温度200℃，沉积时间60mmin条件下制备得到 SiOx块体，采用气流破碎的方法对SiOx块体进行破碎和粉体整形，整形后粉体由激光粒度仪测试的中位粒径(D50)为0.6μm；图4为该粉体的XRD图，可知粉体呈现非晶态特征峰。
对比例2
按照下述步骤制备含锂SiOx粉体：
将99.9％纯度的Si粉、SiO2粉按1/0.9mol％混合均匀后，加入混合粉体10wt％重量的Li2SiO3粉体，混合均匀后，采用化学气相沉积法在温度为1300℃，不控制冷凝沉积温度，沉积时间60min条件下制备得到含锂SiOx块体，采用气流破碎的方法对含锂SiOx块体进行破碎和粉体整形，整形后粉体由激光粒度仪测试的中位粒径(D50)为0.65μm；图5为该粉体的XRD图，其中Li以Li2Si2O5的形式存在于材料中。
如上所述实施例1和实施例2制备的含锂SiOx粉体，结合对比例1制备的纯 SiOx粉体，由此证实，采用本发明提供的方法，能够有效的实现SiOx材料的预锂化。
在对比例2中，不控制冷凝沉积温度，制备的含SiOx中Si和SiOx特征峰峰强远大于对比例1、实施例1和2，说明SiOx粉体发生了歧化反应。由此证实，采用本发明提供的方法，能够有效的避免SiOx材料在预锂化过程中的歧化反应。

Claims (10)

1.一种含锂SiOx粉体的制备方法，其特征在于，所述含锂SiOx粉体中的x为0.9＜x＜1.1，主要成分为SiO、Si、SiO2和含锂化合物，该制备方法包括以下步骤：
(1)原料的混合：将高纯Si粉和SiO2粉按一定配比称量，添加一定量的金属锂或者含锂化合物，采用球磨的方法进行混合；
(2)含锂SiOx的制备：采用单源蒸发或双源蒸发化学气相沉积法制备含锂SiOx块体；
(3)粉体整形：将含锂SiOx块体通过球磨或者气流破碎法进行粉体整形，得到目标含锂SiOx粉体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的Si粉和SiO2粉纯度＞99.9％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的各种原料的比例为：Si/SiO2比例为0.9-1.1mol％，金属锂或者含锂化合物的添加量为Si粉和SiO2粉总重量的0.5wt％-50wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含锂化合物选自Li2O、LiCl、LiOH、LiNO3、Li2CO3、Li2SiO3、Li4SiO4、LiAlO2中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的化学气相沉积反应温度为1000-1500℃，所述的气体冷凝沉积温度为200-800℃，沉积时间为30-180min。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述单源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉、SiO2粉和金属锂或含锂化合物按一定比例混合均匀后，放入反应器中并加热，汽化后的气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。
7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述双源蒸发化学气相沉积法具体为：将Si粉与SiO2粉按一定比例混合均匀后，放入其中一个反应器内，将金属锂或者含锂化合物放入另外一个反应器中，然后对两个反应器同时加热，汽化后的混合气体在收集器冷凝沉积，得到含锂SiOx。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中化学气相沉积法所用的设备为真空感应炉或管式炉。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的球磨方法为行星球磨，转速为200-600rpm，球磨时间为1～48h。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含锂SiOx粉体由激光粒度仪测试的中位粒径D50为0.1-15μm。
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