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硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法與鋰離子電池與流程

437   編輯:中冶有色技術(shù)網(wǎng)   來源:湖北億緯動力有限公司  
2023-09-19 15:51:52

一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法與鋰離子電池與流程

1.本發(fā)明屬于硅碳復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料,尤其涉及一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法與鋰離子電池。

背景技術(shù):

2.納米結(jié)構(gòu)的硅在新能源材料、太陽能、微電子、生物化學(xué)與環(huán)保等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)碳熱還原能夠獲得純度較高的冶金硅,然而,由于傳統(tǒng)碳熱還原的反應(yīng)溫度往往在1400度以上,因而難以獲得廣泛適用的納米級硅材料。目前,制備納米硅材料的方法主要有化學(xué)或者電化學(xué)刻蝕、急速冷卻、激光燒蝕、四氯化硅還原法與硅烷熱解法。這些制備方法普遍具有高成本、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高毒性和產(chǎn)率低的缺點(diǎn),不利于大規(guī)模生產(chǎn)制備納米硅。金屬熱還原硅被認(rèn)為具有克服上述問題的潛力,但傳統(tǒng)的金屬熱還原硅也存在一些問題。比如,對于鎂熱或鋁熱還原來說,雖然還原后能夠得到具有納米結(jié)構(gòu)的多孔硅,然而,其納米結(jié)構(gòu)由于還原過程的硅原子無序堆積,以及納米結(jié)構(gòu)的熔融粘連,導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)的均勻化程度和分散性較差,從而影響了它們在具體應(yīng)用時(shí)的性能。

3.cn111834610a公開了一種基于鎂熱還原的鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料制備方法,該方法先采用石墨和羧甲基纖維素(cmc)或者羥丙基纖維素(hpc)溶液制備高濃度的石墨分散液,接著在石墨分散液中加入納米二氧化硅溶膠使其均勻分散,然后將分散液噴霧干燥形成石墨/二氧化硅復(fù)合物,再進(jìn)行鎂熱還原反應(yīng),最后加入苯乙烯-丙烯腈共聚乳液并高溫處理,得到鋰離子電池硅碳復(fù)合材料。

4.cn106374088a公開了一種利用鎂熱還原法制備硅碳復(fù)合材料的方法,屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括:(1)將二氧化硅源、有機(jī)碳源和溶劑混合,球磨制得勻漿狀混合物,經(jīng)烘干得到二氧化硅-碳前驅(qū)體復(fù)合材料;(2)將二氧化硅-碳前驅(qū)體復(fù)合材料與鎂粉混合進(jìn)行鎂熱還原反應(yīng),收集產(chǎn)物并進(jìn)行酸洗、水洗,干燥后得到所述硅碳復(fù)合材料。

5.cn105762338a公開了一種利用鎂熱還原制備鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的方法,包括:制成硅酸鈉、葡萄糖和氯化鈉混合溶液;加熱干燥,制得棕色焦糖狀前驅(qū)體;ar氣氛下升溫至650℃煅燒,獲得硅酸鈉/碳前驅(qū)體;利用強(qiáng)酸制弱酸原理,加入hcl至硅酸鈉/碳前驅(qū)體,制成混合溶液,后續(xù)將混合溶液置于 170℃烘箱中進(jìn)行干燥,將樣品經(jīng)過水洗后獲得二氧化硅/多孔碳復(fù)合材料;將二氧化硅/多孔碳復(fù)合材料與鎂粉和氯化鈉均勻混合,700℃煅燒,經(jīng)過酸處理、水洗和干燥后獲得硅碳復(fù)合材料。

6.目前公開的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法都有一定的缺陷,存在著硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性較差、均勻性較差、導(dǎo)電性較差、倍率性能較差與循環(huán)穩(wěn)定性較差,硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法工藝復(fù)雜與制備成本較高的問題。因此,開發(fā)設(shè)計(jì)一種新型的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

7.針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的

制備方法與鋰離子電池,本發(fā)明所述制備方法資源化利用了含鈦高爐渣;所述鎂熱還原過程中生成的tisi2有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;所述制備方法工藝簡單且制備成本低。

8.為達(dá)到此發(fā)明目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

9.第一方面,本發(fā)明提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

10.混合二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉,鎂熱還原,得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料;

11.所述含鈦高爐渣中的二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~23wt%;

12.所述二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉的質(zhì)量比為(8~12):(6~12):(6~10)。

13.本發(fā)明所述含鈦高爐渣屬于難處理的高產(chǎn)量危廢材料,通常通過填埋進(jìn)行處理,對環(huán)境具有較大的污染;所述含鈦高爐渣的主要成分為tio2、fe、sio2、 mgo、al2o3、cao、mno、v2o5、ga2o3、cr2o3等。

14.本發(fā)明限定了二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比為(8~12):(6~12),例如可以是 8:6、8:8、8:9、8:11、8:12、9:6、9:8、9:11、9:12、10:6、10:7、10:9、10:11、 10:12、11:6、11:7、11:9、11:10、11:12、12:6、12:7或12:11,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

15.本發(fā)明限定了二氧化硅與鎂粉的質(zhì)量比為(8~12):(6~10),例如可以是8:6、 8:7、8:8、8:9、8:10、9:6、9:7、9:10、10:6、10:7、10:9、11:6、11:7、11:9、11:10、 12:6、12:7、12:9或12:10,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

16.本發(fā)明所述制備方法將鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廉價(jià)含鈦高爐渣引入到二氧化硅的鎂熱還原過程中,資源化利用了含鈦高爐渣,解決了含鈦高爐渣廢料的處理問題,變廢為寶;所述鎂熱還原過程中,二氧化鈦的還原產(chǎn)物鈦與硅反應(yīng)生成的tisi2,tisi2的生成有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;tisi2還具有良好的導(dǎo)電性,從而提升了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性,以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;tisi2在電化學(xué)循環(huán)的過程中能夠充當(dāng)緩沖硅材料體積變化的錨點(diǎn),以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;所述制備方法工藝簡單且制備成本低。

17.優(yōu)選地,所述混合還包括還原助劑的混合。

18.優(yōu)選地,所述還原助劑包括氯化鈉、溴化鈉、氟化鈉、碘化鈉、氯化鉀、溴化鉀、氟化鉀、碘化鉀中的任意一種或至少兩種的組合,典型但非限制性的組合包括氯化鈉與溴化鈉的組合,溴化鈉與氟化鈉的組合,碘化鈉與氯化鉀的組合,溴化鉀與氟化鉀的組合,氯化鈉與碘化鉀的組合,氯化鈉、溴化鈉與氟化鈉的組合,或氯化鈉、溴化鈉、氟化鈉與氯化鉀的組合。

19.優(yōu)選地,所述還原助劑與二氧化硅的質(zhì)量比為100:(8~12),例如可以是 100:8、100:8.5、100:9、100:9.5、100:10、100:10.5、100:11或100:12,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

20.優(yōu)選地,所述鎂熱還原在還原性氣氛中進(jìn)行。

21.優(yōu)選地,所述還原性氣氛由還原性氣體與保護(hù)性氣體混合而成。

22.優(yōu)選地,所述還原性氣體包括氫氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化硫中的任意一種或至少兩種的組合,典型但非限制性的組合包括氫氣與一氧化碳的組合,一氧化碳與硫化氫的組合,甲烷與一氧化硫的組合,氫氣、一氧化碳與硫化氫的組合,或氫氣、一氧化碳、硫化氫與甲烷的組合。

23.優(yōu)選地,所述保護(hù)性氣體包括惰性氣體和/或氮?dú)狻?br />
24.本發(fā)明所述惰性氣體包括氦氣、氖氣、氬氣、氪氣與氙氣中的任意一種或至少兩種的組合。

25.優(yōu)選地,以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),所述還原性氣氛中還原性氣體的體積分?jǐn)?shù)為3%~10%,余量為保護(hù)性氣體。

26.本發(fā)明限定了還原性氣氛中還原性氣體的體積分?jǐn)?shù)為3%~10%,例如可以是3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%或10%,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

27.優(yōu)選地,所述鎂熱還原包括依次進(jìn)行的升溫與保溫。

28.優(yōu)選地,所述升溫的速率為3~15℃/min,所述升溫的終點(diǎn)溫度為600~900℃。

29.本發(fā)明限定了升溫的速率為3~15℃/min,例如可以是3℃/min、4℃/min、 5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min、11℃/min、12℃/min、 13℃/min、14℃/min或15℃/min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

30.本發(fā)明限定了升溫的終點(diǎn)溫度為600~900℃,例如可以是600℃、650℃、 700℃、750℃、800℃、850℃或900℃,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

31.優(yōu)選地,所述保溫的時(shí)間為4~10h,例如可以是4h、5h、6h、7h、8h、9h 或10h,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

32.優(yōu)選地,所述制備方法還包括鎂熱還原后的酸洗。

33.本發(fā)明中使用鹽酸和/或硫酸進(jìn)行酸洗。

34.優(yōu)選地,所述二氧化硅的制備包括以下步驟:

35.(1)混合水、乙醇與氨水得到第一混液;

36.(2)混合乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

37.(3)混合第一混液與第二混液,固液分離后得到二氧化硅;

38.步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。

39.優(yōu)選地,步驟(1)所述水、乙醇與氨水的質(zhì)量比為(40~60):(28~36):(15~20)。

40.本發(fā)明限定了步驟(1)所述水與乙醇的質(zhì)量比為(40~60):(28~36),例如可以是40:28、40:29、40:31、40:33、40:36、43:28、43:29、43:31、43:33、43:36、 47:28、47:29、47:31、47:33、47:36、49:28、49:29、49:31、49:33、49:36、53:28、 53:29、53:31、53:33、53:36、57:28、57:29、57:31、57:33、57:36、60:28、60:29、 60:31、60:33或60:36,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

41.本發(fā)明限定了步驟(1)所述乙醇與氨水的質(zhì)量比為(28~36):(15~20),例如可以是28:15、28:17、28:19、28:20、29:15、29:17、29:19、29:20、31:15、31:17、 31:19、31:20、33:15、33:17、33:19、33:20、36:15、36:17、36:19或36:20,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該

數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

42.優(yōu)選地,步驟(2)所述乙醇與硅酸乙酯的質(zhì)量比為(80~100):(6~12),例如可以是80:6、80:7、80:9、80:11、80:12、87:6、87:7、87:9、87:11、87:12、89:6、 89:7、89:9、89:11、89:12、91:6、91:7、91:9、91:11、91:12、93:6、93:7、93:9、 93:11、93:12、97:6、97:7、97:9、97:11、97:12、100:6、100:7、100:9、100:11 或100:12,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

43.優(yōu)選地,步驟(3)所述第一混液與第二混液的質(zhì)量比為(0.9~1.2):1,例如可以是0.9:1、0.95:1、1:1、1.05:1、1.1:1、1.15:1或1.2:1,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

44.優(yōu)選地,步驟(1)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為 400~700r/min,時(shí)間為1~6min。

45.本發(fā)明限定了攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,例如可以是400r/min、450r/min、 500r/min、550r/min、600r/min、650r/min或700r/min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

46.本發(fā)明限定了攪拌的時(shí)間為1~6min,例如可以是1min、2min、3min、4min、 5min或6min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

47.優(yōu)選地,步驟(2)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為 400~700r/min,時(shí)間為1~6min。

48.本發(fā)明限定了攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,例如可以是400r/min、450r/min、 500r/min、550r/min、600r/min、650r/min或700r/min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

49.本發(fā)明限定了攪拌的時(shí)間為1~6min,例如可以是1min、2min、3min、4min、 5min或6min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

50.優(yōu)選地,步驟(3)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為 400~700r/min,時(shí)間為1~6h。

51.本發(fā)明限定了攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,例如可以是400r/min、450r/min、 500r/min、550r/min、600r/min、650r/min或700r/min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

52.本發(fā)明限定了攪拌的時(shí)間為1~6h,例如可以是1h、2h、3h、4h、5h或6h,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

53.優(yōu)選地,所述二氧化硅的制備還包括固液分離后依次進(jìn)行的水洗與烘干。

54.優(yōu)選地,所述烘干的溫度為60~80℃,時(shí)間為10~14h。

55.本發(fā)明限定了烘干的溫度為60~80℃,例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

56.本發(fā)明限定了烘干時(shí)間為10~14h,例如可以是10h、11h、12h、13h或14h,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

57.作為第一方面所述制備方法的優(yōu)選技術(shù)方案,所述制備方法包括:

58.混合質(zhì)量比為100:(8~12):(6~12):(6~10)的還原助劑、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~23wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在還原性氣體與保護(hù)性氣體混合而成的還原

性氣氛中,以3~15℃/min的速率升溫至600~900℃并保溫4~10h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中還原性氣體的體積分?jǐn)?shù)為 3%~10%,余量為保護(hù)性氣體;酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

59.第二方面,本發(fā)明提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料,所述硅鈦復(fù)合負(fù)極材料由第一方面所述的制備方法得到。

60.第三方面,本發(fā)明提供了一種鋰離子電池,所述鋰離子電池包括依次層疊的正極極片、隔膜與負(fù)極極片,所述負(fù)極極片包括集流體和涂覆于所述集流體表面的負(fù)極活性層,所述負(fù)極活性層中包括第二方面所述的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

61.相對于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明具有以下有益效果:

62.(1)本發(fā)明所述制備方法將鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廉價(jià)含鈦高爐渣引入到二氧化硅的鎂熱還原過程中,資源化利用了含鈦高爐渣,解決了含鈦高爐渣廢料的處理問題,變廢為寶;

63.(2)本發(fā)明所述鎂熱還原過程中,氧化鈦的還原產(chǎn)物鈦與硅反應(yīng)生成的 tisi2,tisi2的生成有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;

64.(3)本發(fā)明所述鎂熱還原過程生成的tisi2具有良好的導(dǎo)電性,從而提升了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性,以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;

65.(4)本發(fā)明所述鎂熱還原過程生成的tisi2在電化學(xué)循環(huán)的過程中能夠充當(dāng)緩沖硅材料體積變化的錨點(diǎn),以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;

66.(5)本發(fā)明所述制備方法工藝簡單且制備成本低。

附圖說明

67.圖1是實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的sem圖。

68.圖2是實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池的倍率性能測試結(jié)果圖。

69.圖3是實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性測試的測試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

70.下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了,所述實(shí)施例僅僅是幫助理解本發(fā)明,不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

71.實(shí)施例1

72.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

73.混合質(zhì)量比為100:10:9:7的氯化鈉、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 16wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在氫氣與氬氣混合而成的還原性氣氛中,以6℃/min 的速率升溫至700℃并保溫8h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為6%,余量為氬氣;鹽酸酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

74.所述二氧化硅的制備包括以下步驟:

75.(1)以550r/min的轉(zhuǎn)速攪拌4min混合質(zhì)量比為50:32:17的水、乙醇與氨水得到第一混液;

76.(2)以550r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3min混合質(zhì)量比為90:8的乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

77.(3)以550r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3h混合質(zhì)量比為1:1的第一混液與第二混液,固液分離水洗,在75℃下進(jìn)行11h的烘干,得到二氧化硅;

78.步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。

79.實(shí)施例2

80.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

81.混合質(zhì)量比為100:8:6:10的氯化鈉、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 13wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在氫氣與氮?dú)饣旌隙傻倪€原性氣氛中,以9℃/min 的速率升溫至700℃并保溫6h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為4.5%,余量為氮?dú)猓畸}酸酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

82.所述二氧化硅的制備包括以下步驟:

83.(1)以600r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3min混合質(zhì)量比為40:36:15的水、乙醇與氨水得到第一混液;

84.(2)以600r/min的轉(zhuǎn)速攪拌4min混合質(zhì)量比為100:12的乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

85.(3)以500r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5h混合質(zhì)量比為0.95:1的第一混液與第二混液,固液分離水洗,在70℃下進(jìn)行12h的烘干,得到二氧化硅;

86.步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。

87.實(shí)施例3

88.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

89.混合質(zhì)量比為100:12:12:6的溴化鈉、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在一氧化碳與氮?dú)饣旌隙傻倪€原性氣氛中,以 12℃/min的速率升溫至800℃并保溫4h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為8%,余量為氮?dú)?;硫酸酸洗后得到硅鈦?fù)合負(fù)極材料。

90.所述二氧化硅鈦的制備包括以下步驟:

91.(1)以500r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5min混合質(zhì)量比為60:36:20的水、乙醇與氨水得到第一混液;

92.(2)以500r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5min混合質(zhì)量比為80:6的乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

93.(3)以600r/min的轉(zhuǎn)速攪拌4h混合質(zhì)量比為1.1:1的第一混液與第二混液,固液分離水洗,在65℃下進(jìn)行13h的烘干,得到二氧化硅;

94.步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。

95.實(shí)施例4

96.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

97.混合質(zhì)量比為100:12:6:6的氯化鉀、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 23wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在硫化氫與氦氣混合而成的還原性氣氛中,以3℃/min的速率升溫至600℃并保溫10h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中硫化氫的體積分?jǐn)?shù)為10%,余量為氦氣;硫酸酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

98.所述二氧化硅的制備包括以下步驟:

99.(1)以400r/min的轉(zhuǎn)速攪拌6min混合質(zhì)量比為60:28:15的水、乙醇與氨水得到第一混液;

100.(2)以400r/min的轉(zhuǎn)速攪拌6min混合質(zhì)量比為80:12的乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

101.(3)以400r/min的轉(zhuǎn)速攪拌6h混合質(zhì)量比為0.9:1的第一混液與第二混液,固液分離水洗,在60℃下進(jìn)行14h的烘干,得到二氧化硅;

102.步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。

103.實(shí)施例5

104.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,所述制備方法包括:

105.混合質(zhì)量比為100:8:12:10的溴化鉀、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在氫氣與氖氣混合而成的還原性氣氛中,以 15℃/min的速率升溫至900℃并保溫4h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為3%,余量為氖氣;鹽酸酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

106.所述二氧化硅的制備包括以下步驟:

107.(1)以700r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1min混合質(zhì)量比為40:28:20的水、乙醇與氨水得到第一混液;

108.(2)以700r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1min混合質(zhì)量比為100:6的乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;

109.(3)以700r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1h混合質(zhì)量比為1.2:1的第一混液與第二混液,固液分離水洗,在80℃下進(jìn)行10h的烘干,得到二氧化硅。

110.實(shí)施例6

111.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,除二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比為5:12外,其余均與實(shí)施例1相同。

112.實(shí)施例7

113.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,除二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比為12:4外,其余均與實(shí)施例1相同。

114.實(shí)施例8

115.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,除氯化鈉與二氧化硅的質(zhì)量比為100:15外,其余均與實(shí)施例1相同。

116.實(shí)施例9

117.本實(shí)施例提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,除氯化鈉與二氧化硅的質(zhì)量比為100:5外,其余均與實(shí)施例1相同。

118.對比例1

119.本對比例提供了一種硅負(fù)極材料的制備方法,除省略含鈦高爐渣外,其余均與實(shí)施例1相同。

120.以實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料進(jìn)行場發(fā)射掃描電鏡測試,得到的sem圖如圖1所示;

121.以實(shí)施例1~9中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料與對比例1中硅負(fù)極材料進(jìn)行電導(dǎo)率測試,得

到的電導(dǎo)率如表1所示;

122.以實(shí)施例1~9中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料與對比例1中硅負(fù)極材料制備鋰離子電池,制備方法為:

123.硅鈦復(fù)合負(fù)極材料或硅負(fù)極材料,與乙炔黑及海藻酸鈉按60:20:20質(zhì)量比稱取,混合均勻,加入nmp攪拌1h,成粘稠漿料,均勻涂布在鋁箔上,后80℃真空烘箱烘烤,壓片,裁切直徑13mm的正極片,以直徑16mm的純鋰片作為負(fù)極片,以1mol/llipf6+dec/ec(體積比1:1)+10%fec混合溶液為電解液,以聚丙烯微孔膜為隔膜,在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行組裝成鋰離子電池;

124.所述鋰離子電池進(jìn)行倍率性能測試,測試方法為:在3.0~0.01v的電壓區(qū)間,所述鋰離子電池以不同倍率進(jìn)行充放電,測試制備得到的鋰離子電池在0.21a/g 電流密度下放電平均容量c1與8.4a/g電流密度下放電平均容量c2如表1所示;

125.以實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池的倍率性能測試結(jié)果如圖2所示;

126.所述鋰離子電池進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性測試,測試方法為:在3.0~0.01v的電壓區(qū)間,所述鋰離子電池以0.84a/g電流密度進(jìn)行充放電,經(jīng)200次循環(huán)后,得到鋰離子電池的比容量與庫倫效率如表1所示;

127.以實(shí)施例1中硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性測試的測試結(jié)果如圖3所示。

128.表1

129.[0130][0131]

由表1與圖1~3可得:

[0132]

(1)以實(shí)施例1~5得到的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性好且電導(dǎo)率較高,以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池的倍率性能優(yōu)異且循環(huán)穩(wěn)定性高;本發(fā)明所述制備方法將鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廉價(jià)含鈦高爐渣引入到二氧化硅的鎂熱還原過程中,資源化利用了含鈦高爐渣,解決了含鈦高爐渣廢料的處理問題,變廢為寶;所述鎂熱還原過程中,二氧化鈦的還原產(chǎn)物鈦與硅反應(yīng)生成的tisi2, tisi2的生成有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;tisi2還具有良好的導(dǎo)電性,從而提升了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性,以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;tisi2在電化學(xué)循環(huán)的過程中能夠充當(dāng)緩沖硅材料體積變化的錨點(diǎn),以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;所述制備方法工藝簡單且制備成本低;

[0133]

(2)通過實(shí)施例1與實(shí)施例6和7的對比可知,二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比會影響硅鈦復(fù)合負(fù)極材料與鋰離子電池的性能;當(dāng)二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比偏低時(shí),會導(dǎo)致電導(dǎo)率提升,0.21a/g電流密度下放電平均容量下降, 8.4a/g電流密度下放電平均容量下降,200次循環(huán)后的比容量降低,200次循環(huán)后的庫倫效率降低,這是由鎂熱過程生成的tisi2過多,材料整體的容量降低,同時(shí)tisi2過量導(dǎo)致材料團(tuán)聚,以致循環(huán)可逆性變差;當(dāng)二氧化硅與含鈦高爐渣的質(zhì)量比偏高時(shí),會導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,0.21a/g電流密度下放電平均容量下降, 8.4a/g電流密度下放電平均容量下降,200次循環(huán)后的比容量降低,200次循環(huán)后的庫倫效率降低,這是由材料中tisi2的含量減少,對材料的整體的導(dǎo)電性改善效果降低,使得電化學(xué)性能變差。

[0134]

(3)通過實(shí)施例1與實(shí)施例8和9的對比可知,還原助劑與二氧化硅的質(zhì)量比會影響硅鈦復(fù)合負(fù)極材料與鋰離子電池的性能;當(dāng)還原助劑與二氧化硅的質(zhì)量比偏低時(shí),會導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,0.21a/g電流密度下放電平均容量下降, 8.4a/g電流密度下放電平均容量下降,200次循環(huán)后的比容量降低,200次循環(huán)后的庫倫效率降低,這是由還原助劑量偏低導(dǎo)致sio2還原不充分同時(shí)tisi2的形成也減少,材料整體的導(dǎo)電性也降低所致;當(dāng)還原助劑與二氧化硅的質(zhì)量比偏高時(shí),會導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,0.21a/g電流密度下放電平均容量下降,8.4a/g電流密度下放電平均容量下降,200次循環(huán)后的比容量降低,200次循環(huán)后的庫倫效率降低,這是由還原助劑過量導(dǎo)致鎂熱過程中放熱過量,使得材料團(tuán)聚嚴(yán)重,以致材料的性能變差;

[0135]

(4)通過實(shí)施例1與對比例1的對比可知,含鈦高爐渣的加入有利于提升硅鈦復(fù)合負(fù)極材料與鋰離子電池的性能;含鈦高爐渣加入后,得到的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的電導(dǎo)率變大,0.21a/g電流密度下放電平均容量變大,8.4a/g電流密度下放電平均容量變大,200次循環(huán)后的比容量變大,200次循環(huán)后的庫倫效率升高,這是由于加入含鈦高爐渣后,在鎂熱還

原過程中產(chǎn)生的tisi2具有良好的導(dǎo)電性,提升了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的導(dǎo)電性,使硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;tisi2在電化學(xué)循環(huán)的過程中能夠充當(dāng)緩沖硅材料體積變化的錨點(diǎn),以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

[0136]

綜上所述,本發(fā)明所述制備方法將鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廉價(jià)含鈦高爐渣引入到二氧化硅的鎂熱還原過程中,資源化利用了含鈦高爐渣,解決了含鈦高爐渣廢料的處理問題,變廢為寶;本發(fā)明所述鎂熱還原過程中,二氧化鈦的還原產(chǎn)物鈦與硅反應(yīng)生成的tisi2,tisi2的生成有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;本發(fā)明所述鎂熱還原過程生成的tisi2具有良好的導(dǎo)電性,從而提升了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的電子導(dǎo)電性,以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;本發(fā)明所述鎂熱還原過程生成的tisi2在電化學(xué)循環(huán)的過程中能夠充當(dāng)緩沖硅材料體積變化的錨點(diǎn),以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;本發(fā)明所述制備方法工藝簡單且制備成本低。

[0137]

以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了,任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到的變化或替換,均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。技術(shù)特征:

1.一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括:混合二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉,鎂熱還原,得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料;所述含鈦高爐渣中的二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~23wt%;所述二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉的質(zhì)量比為(8~12):(6~12):(6~10)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法,其特征在于,所述混合還包括還原助劑的混合;優(yōu)選地,所述還原助劑包括氯化鈉、溴化鈉、氟化鈉、碘化鈉、氯化鉀、溴化鉀、氟化鉀或碘化鉀中的任意一種或至少兩種的組合;優(yōu)選地,所述還原助劑與二氧化硅的質(zhì)量比為100:(8~12)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法,其特征在于,所述鎂熱還原在還原性氣氛中進(jìn)行;優(yōu)選地,所述還原性氣氛由還原性氣體與保護(hù)性氣體混合而成;優(yōu)選地,所述還原性氣體包括氫氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷、一氧化硫中的任意一種或至少兩種的組合;優(yōu)選地,所述保護(hù)性氣體包括惰性氣體和/或氮?dú)猓粌?yōu)選地,以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),所述還原性氣氛中還原性氣體的體積分?jǐn)?shù)為3%~10%,余量為保護(hù)性氣體。4.根據(jù)權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的制備方法,其特征在于,所述鎂熱還原包括依次進(jìn)行的升溫與保溫;優(yōu)選地,所述升溫的速率為3~15℃/min,所述升溫的終點(diǎn)溫度為600~900℃;優(yōu)選地,所述保溫的時(shí)間為4~10h。5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的制備方法,其特征在于,所述制備方法還包括鎂熱還原后的酸洗。6.根據(jù)權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的制備方法,其特征在于,所述二氧化硅的制備包括以下步驟:(1)混合水、乙醇與氨水得到第一混液;(2)混合乙醇與硅酸乙酯得到第二混液;(3)混合第一混液與第二混液,固液分離后得到二氧化硅;步驟(1)與步驟(2)不分先后順序。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法,其特征在于,步驟(1)所述水、乙醇與氨水的質(zhì)量比為(40~60):(28~36):(15~20);優(yōu)選地,步驟(2)所述乙醇與硅酸乙酯的質(zhì)量比為(80~100):(6~12);優(yōu)選地,步驟(3)所述第一混液與第二混液的質(zhì)量比為(0.9~1.2):1;優(yōu)選地,步驟(1)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,時(shí)間為1~6min;優(yōu)選地,步驟(2)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,時(shí)間為1~6min;優(yōu)選地,步驟(3)所述混合的方式包括攪拌,所述攪拌的轉(zhuǎn)速為400~700r/min,時(shí)間為1~6h;優(yōu)選地,所述二氧化硅的制備還包括固液分離后依次進(jìn)行的水洗與烘干;

優(yōu)選地,所述烘干的溫度為60~80℃,時(shí)間為10~14h。8.根據(jù)權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括:混合質(zhì)量比為100:(8~12):(6~12):(6~10)的還原助劑、二氧化硅、二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~23wt%的含鈦高爐渣與鎂粉;在還原性氣體與保護(hù)性氣體混合而成的還原性氣氛中,以3~15℃/min的速率升溫至600~900℃并保溫4~10h;以還原性氣氛的體積為百分?jǐn)?shù)計(jì),還原性氣氛中還原性氣體的體積分?jǐn)?shù)為3%~10%,余量為保護(hù)性氣體;酸洗后得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。9.一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料,其特征在于,所述硅鈦復(fù)合負(fù)極材料由權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述的制備方法得到。10.一種鋰離子電池,其特征在于,所述鋰離子電池包括依次層疊的正極極片、隔膜與負(fù)極極片,所述負(fù)極極片包括集流體和涂覆于所述集流體表面的負(fù)極活性層,所述負(fù)極活性層中包括權(quán)利要求9所述的硅鈦復(fù)合負(fù)極材料。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法與鋰離子電池,所述制備方法包括:混合二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉,鎂熱還原,得到硅鈦復(fù)合負(fù)極材料;所述含鈦高爐渣中的二氧化鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10~23wt%;所述二氧化硅、含鈦高爐渣與鎂粉的質(zhì)量比為(8~12):(6~12):(6~10)。本發(fā)明所述制備方法資源化利用了含鈦高爐渣;所述鎂熱還原過程中生成的TiSi2有利于吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量熱量,防止納米硅顆粒的熔融和粘結(jié),提高了硅鈦復(fù)合負(fù)極材料的分散性;以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的倍率性能;以硅鈦復(fù)合負(fù)極材料制備的鋰離子電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性;所述制備方法工藝簡單且制備成本低。所述制備方法工藝簡單且制備成本低。所述制備方法工藝簡單且制備成本低。

技術(shù)研發(fā)人員:丁靜 侯林 李書國

受保護(hù)的技術(shù)使用者:湖北億緯動力有限公司

技術(shù)研發(fā)日:2022.07.29

技術(shù)公布日:2022/11/8
聲明:
“硅鈦復(fù)合負(fù)極材料及其的制備方法與鋰離子電池與流程” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究,如用于商業(yè)用途,請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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