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粉体交流 > 粉体装备 > 氧化亚硅复合负极材料制备方法 咸阳陶瓷院
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氧化亚硅复合负极材料制备方法 咸阳陶瓷院

aligemao
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楼主 发表于:2019-03-04 15:35:36
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咸阳陶瓷研究设计院--科源窑炉

锂离子电池是便携式电子设备、电动汽车及储能系统的理想电源,开发比能量高、安全性好以及成本低廉的新型电极材料是锂离子电池研究领域的核心内容,新型负极材料的研究对新一代锂离子电池的研制具有重要意义。目前成熟的锂离子电池负极材料主要为石墨类材料,其理论比容量仅为372mAh/g,发展潜力有限,无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。氧化亚硅材料具有较高的理论比容量(>2000mAh/g),较低的储锂反应电压平台,且制备成本低廉,因此成为替代石墨的极具潜力的一类负极材料。但氧化亚硅的导电性较差,性质接近绝缘体,导致其电化学反应的动力学性能较差。而且氧化亚硅材料中包含的SiO2在首次嵌锂反应中转变成Li4SiO4,Li2Si2O5等物相(Quartz(SiO2):a new energy storage anode material for Li-ion batteries,Energy Environ.Sci.,2012,5,6895-6899),消耗较多的锂离子,致使首次充放电效率较低(<70%)。

为了提高氧化亚硅材料的导电性,通常本领域技术人员会选用酚醛树脂、环氧树脂、沥青、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯等有机碳源进行热解碳包覆。碳包覆处理后的氧化亚硅材料,其电导率和电化学性能有所提高。但由于包覆材料沥青或树脂或高分子材料自身的导电性能较差,故热解碳包覆处理对氧化亚硅性能提升的空间非常有限。为了提高氧化亚硅材料的首次充放电效率,预锂化是一种有效的方法,文献1(Electrochemical behavior of a lithium-pre-doped carbon-coated silicon monoxide anode cell,J.Power Sources,2009,189,511-514)通过预先在氧化亚硅电极表面涂敷锂粉,将电极的首次充放电效率由67.7%提高到72.8%;文献2(Facile approach to SiOx/Si/C composite anode material from bulk SiO for lithium ion batteries,Phys.Chem.Chem.Phys.,2013,15,14420-14426)在氧化亚硅电极表面贴敷锂箔,通过在电极和锂箔两端施加压力并浸泡在电解液中8分钟,电极的首次充放电效率由61.9%提高到94.4%。预锂化需要在干燥无氧的环境中进行,操作难度大,并且预锂化的程度难以精确的控制,目前仅限于实验室应用,难以大规模推广。最近,文献3(Reduction effect of irreversible capacity on SiO anode material heat-reacted with Fe2O3,J.Power Sources,2013,232,264-269)通过将氧化亚硅材料与Fe2O3混合加热处理,在氧化亚硅表面形成均匀的硅酸盐包覆层Fe2SiO4,材料的首次充放电效率由70%提高到90%。但该方法存在Fe2O3反应不完全的可能,也容易形成单质Fe,导致使用该材料的电池自放电和循环性能变差。

因此,研发一种高导电性、高首次充放电效率及循环稳定性好的氧化亚硅负极材料是锂离子电池领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种氧化亚硅复合负极材料,可提高氧化亚硅负极材料的导电性、比容量、首次充放电效率及循环稳定性。

所述氧化亚硅复合负极材料包括氧化亚硅基体、均匀沉积在氧化亚硅基体上的纳米硅材料及氧化亚硅/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层。

优选地,所述氧化亚硅复合负极材料由氧化亚硅基体、均匀沉积在氧化亚硅基体上的纳米硅材料及氧化亚硅/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层组成。

优选地,所述氧化亚硅复合负极材料包括氧化亚硅基体、基体表面的碳材料包覆层、均匀沉积在碳材料包覆层上的纳米硅材料及氧化亚硅/碳材料包覆层/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层。

优选地,所述氧化亚硅复合负极材料由氧化亚硅基体、基体表面的碳材料包覆层、均匀沉积在碳材料包覆层上的纳米硅材料及氧化亚硅/碳材料包覆层/纳米硅表面的纳米导电材料包覆层组成。

优选地,所述纳米导电材料包覆层包含碳纳米管、石墨烯、导电石墨、碳纤维、纳米石墨或导电碳黑中的1种或至少2种的组合。

优选地,所述纳米导电材料包覆层在负极材料中的含量为0.1-10.0wt%,进一步优选为0.5-8.0wt%,特别优选为1.0-7.0wt%。

优选地,所述氧化亚硅基体为氧化亚硅颗粒,分子式为SiOx,其中0.5≤x≤1.5;平均粒度为0.1-30.0μm,Dmax≤50.0μm;磁性物质含量为50.0ppm以下;金属异物含量为50.0ppm以下;比表面积为0.1-20.0m2/g;所述SiOx中含有0.1-20.0nm的单晶和/或多晶硅颗粒。

优选地,所述纳米硅材料为单分散的纳米硅颗粒,平均粒度为1.0-1000.0nm;所述纳米硅颗粒为晶体和/或非晶体。

优选地,所述纳米硅材料为连续的纳米硅薄膜,厚度为1.0-1000.0nm,例如2.0nm、3.0nm、5.0nm、10.0nm、15.0nm、20.0nm、30.0nm、50.0nm、100.0nm、150.0nm、200.0nm、300.0nm、400.0nm、500.0nm、800.0nm、900.0nm、950.0nm、980.0nm、990.0nm、995.0nm、998.0nm或999.0nm等;所述纳米硅薄膜为晶体和/或非晶体。

优选地,所述纳米硅材料在氧化亚硅复合负极材料中的含量为0.1-50.0wt%,进一步优选为0.5-40.0wt%,特别优选为1.0-30.0wt%。

优选地,所述的碳材料包覆层由沥青、高分子材料或聚合物中的1种或至少2种的混合物包覆后经高温处理后得到,特别优选由煤沥青、石油沥青、中间相沥青、高分子材料或聚合物中的1种或至少2种的混合物包覆后经高温处理后得到;所述高温指的是使沥青、高分子材料或聚合物裂解成为碳材料的温度;在本发明中,所述高温指500.0-1300.0℃。

本发明的目的之二在于提供一种锂离子电池,所述锂离子电池包含本发明提供的氧化亚硅复合负极材料。

本发明的目的之三在于提供一种所述氧化亚硅复合负极材料的制备方法,包括以下步骤:

(1)用硅源在氧化亚硅颗粒表面进行纳米硅化学气相沉积;

(2)将步骤(1)得到的材料进行纳米导电材料包覆改性;

(3)将步骤(2)得到的材料进行过筛、除磁处理。

优选地,所述氧化亚硅复合负极材料的制备方法,包括以下步骤:

(1′)将氧化亚硅颗粒进行碳材料包覆改性,然后进行碳化处理,得到无序结构的碳材料包覆层;

(1)用硅源在步骤(1′)得到的材料表面进行纳米硅化学气相沉积;

(2)将步骤(1)得到的材料进行纳米导电材料包覆改性;

(3)将步骤(2)得到的材料进行过筛、除磁处理。

优选地,步骤(1)所述硅源为SiH4、Si2H6、Si3H8、SiCl4、SiHCl3、Si2Cl6、SiH2Cl2或SiH3Cl中的1种或至少2种的组合。

优选地,步骤(1)所述化学气相沉积的温度为500.0-1300.0℃,例如510℃、520℃、530℃、550℃、600℃、650℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1580℃、1290℃或1295℃等。

优选地,步骤(2)所述包覆改性采用机械改性、纳米分散或液相包覆中的1种;优选地,所述机械改性的设备为球磨机或融合机。

优选地,步骤(3)所述除磁处理采用的磁感应强度为3000.0-30000.0Gs,处理温度为10.0-80.0℃,处理时间为10.0-120.0s。



aligemao
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aligemao 发表于:2019-03-05 09:47:36
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咸阳陶瓷研究设计院--科源窑炉
专业针对稀土功能材料,高性能靶材,先进储能材料,先进碳材料,高端金属结构材料等新兴材料专用炉开发,设计,制造,销售,服务的国营高科技公司。
公司拥有强大的技术团队,技术设计始终遵循为客户提供最符合工艺要求,最具性价比,实用的原则。技术团队为客户提供全年不间断的技术服务,在给客户提供服务的同时积累了大量的经验,该经验又为技术团队的设计提供了非常良好的思路。自主开发设计了更加符合客户工艺要求的压力罩式炉,气相沉积炉,真空炉,真空回转炉,气氛推板炉,辊道炉等新产品。针对实验室设备,公司精心设计了小型真空炉,多功能真空高温回转炉,压力管式炉,气氛箱式炉等产品。
运用现代化科学管理手段和方法,优化企业内外部环境,积极打造团队精神,以提高企业的竞争力,应对竞争多变的市场挑战。
坚持“以人为本”为核心价值观。视员工为企业的最大财富,重视员工的追求,并创造环境让员工发挥最大的潜力。
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aligemao
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aligemao 发表于:2019-03-26 10:43:07
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咸阳陶瓷研究设计院---科源窑炉

超容碳活化实验炉

1.生产方式:间歇生产
2.煅烧物料:活性炭粉体材料或小颗粒物料
3.工作区尺寸:金属筒加热区长600mm,直径φ200mm
4.使用功率:
加热功率    9Kw(满负荷);
主传动功率    0.75KW;
电动推杆功率  0.37KW。
5.额定电压:     380V 50Hz
6.使用温度:     RT~900℃
7.控温区数:     三区
8. 温控精度:     ≤±2℃
9. 热电偶分度号: K(铠装,用于控温)
10.倾炉角度:   -20~140可调
11. 炉管转速:   0.2~2.5rpm(可调)
12. 工作区容积: 18L
13. 有效装料容积:4.5L
14. 外形尺寸:1400mm(L)×1200mm(W)×1400mm(H)



hongfengyaolu
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hongfengyaolu 发表于:2020-03-10 22:01:06
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