CN105720249B - 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法 - Google Patents

一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105720249B
CN105720249B CN201610097229.0A CN201610097229A CN105720249B CN 105720249 B CN105720249 B CN 105720249B CN 201610097229 A CN201610097229 A CN 201610097229A CN 105720249 B CN105720249 B CN 105720249B
Authority
CN
China
Prior art keywords
alloy
blocks
preparation
power
accordance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201610097229.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105720249A (zh
Inventor
宋晓艳
李昱嵘
侯超
王海滨
刘雪梅
张亚娟
刘�东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201610097229.0A priority Critical patent/CN105720249B/zh
Publication of CN105720249A publication Critical patent/CN105720249A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105720249B publication Critical patent/CN105720249B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法，属于新型功能材料领域。首先将高纯Sn和高纯Si块体按照一定化学计量比进行质量配比，然后在真空感应熔炼内熔炼得到Sn‑Si合金快体材料，并将得到的块体材料在惰性气体环境下进行电弧蒸发，制备得到Sn‑Si合金型复合纳米粉末。本发明方法所得Sn‑Si合金型复合纳米粉颗粒平均粒径在纳米尺度，且该方法的工艺路线简单易行、合成周期短、技术参数可控性强。

Description

一种Sn-Si合金型纳米复合粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Sn-Si合金型纳米复合粉末的制备方法，属于纳米材料、新型功能材料制备技术领域。
背景技术
锂离子电池以其电容量高、循环寿命长、对环境友好等优点已经成为人们日常生活中的常见产品。随着锂电池的应用领域从小型便携式电子设备向电动汽车、航空航天、大型军工设备等市场发展，人们对锂电池的性能也提出了更高的要求。锂离子电池主要由阴极、阳极、电解质、隔膜等组成。而负极材料作为锂离子电池的关键电极材料之一直接影响其性能，并可成为制约其大规模推广应用的瓶颈。因此，设计研制具有优良电化学性能的新型锂离子电池负极材料，是电池行业研究和发展的重点。
在锂离子电池中，研究的负极材料主要包括：石墨化碳材料、硅基材料、锡基材料、氮化物、合金材料和纳米氧化物等(吴宇平，张汉平，等.绿色电源材料.北京化学工业出版社，2008)。锡、硅基材料由于其具有较高的理论储锂容量(Li4.4Sn，994mAh/g；Li4.4Si，4200mAh/g)而成为负极材料的研究热点。而研究人员进一步发现这类合金类材料纳米化之后，随着锂离子迁移通道增加，储锂能量进一步增强，所以纳米合金材料作为高性能阳极材料具有极大的应用潜力。纳米Sn负极材料在充放电过程中易于团聚而使得活性电极材料失效(Bin Lou et al,Graphene-Confined Sn Nanosheets with Enhanced LithiumStorage Capability,Adv.Mater.2012,24,3538-3543)，影响锂离子电池的循环性能。且纳米Si负极材料主要失效机制是由于充放电过程中的大体积变化导致负极材料粉化失效。目前通过材料复合成为提高锂离子电池负极材料的电化学性能(如电容量、循环性能等)的有效途径。因此可考虑将纳米Sn与纳米Si复合，发挥二者的优势，共同作用来提高负极材料在锂离子电池循环中的稳定性。而现有的纳米Si、Sn颗粒材料的研制方法尚无法实现低成本、高产量、尺寸可控，且目前国内外更无一步制备得到Sn-Si合金型纳米复合粉末的报道。
基于以上背景，我们采用真空悬浮熔炼制备技术和蒸发冷凝制备技术，短流程制备得到分散性较好且颗粒粒径分布在纳米尺度的Sn-Si合金型纳米复合粉末。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Sn-Si合金型纳米复合粉末制备方法。首先将高纯Sn和高纯Si块体按照化学计量比进行质量配比，然后在真空感应熔炼内通过调节输入功率得到Sn-Si合金块体材料，并将得到的块体材料作为母材。在惰性气体环境下进行电弧蒸发，制备得到复合纳米粉末。其特征在于包括以下步骤：
(1)首先按照化学计量比进行配比Sn和Si，并在高真空悬浮熔炼炉中，通过调节功率使Sn块(熔点较低，气化温度高)融化，然后逐渐增加功率，增加功率后相应的功率范围为6～11kW，使Si块融化；整体液化之后，悬浮2分钟之后冷却制得Sn-Si合金块体材料；
(2)将制备得到的Sn-Si合金块体材料作为阳极，在氢气与惰性气体氩气体积比为1:1的环境下，通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为100～250A，电弧电压为10～30V，蒸发时间为40～60min；蒸发冷凝后形成固态Sn-Si纳米颗粒。
上述步骤(1)下料时通过多配Sn来弥补在熔炼制备时部分自由Sn挥发损失，如多配1％～1.5％的Sn，从而保障了在合金铸锭中的Sn和Si保持一定的化学计量比；同时将Sn块置于Si颗粒的下层以免高流动性的Sn涌出Cu坩埚的外侧；达到完全液化后持续2min是为了使物相分布更为均匀。
上述步骤(2)，通过调节起弧电压、电流强度和蒸发时间，可调整复合纳米颗粒的产率、平均粒径和粒径分布。
步骤(1)按照任意的化学计量比进行配比Sn和Si，如按照Sn占Sn和Si摩尔百分含量为20％-60％。
本发明的目的在于解决Sn-Si合金型纳米复合粉制备技术难题，而提供的一种工艺路线简单易行、合成周期短的制备技术。本发明具有如下特点和优势：
(1)在高真空悬浮冷凝的过程中，调节熔炼功率和熔炼次数，得到物相分布均匀的合金块体材料，有利于后续的蒸发冷凝过程。
(2)目前制备纳米Si、Sn材料的方法尚无法实现低成本高产量的尺寸可控纳米颗粒的制备，对于一步制备得到Sn-Si合金型纳米复合粉末的制备尚未报道。合金块体材料在后续起弧蒸发的过程中，利用起弧电流、电压与氢气与惰性气体比例的调控，可以调整复合纳米粉的产率和颗粒尺寸，使平均粒径在纳米尺度范围内可控；
总之，采用本发明中的技术路线可以制备出平均粒径在纳米尺度的Sn-Si合金型复合粉，该方法的工艺路线简单、流程短、技术参数的可控性强。
附图说明
图1：实施例1中合金块体材料的物相检测图谱(X射线衍射图谱)；
图2：实施例1中合金块体材料的显微形貌图(扫描电子显微镜)；
图3：实施例1中制备得到纳米复合粉的物相检测图谱(X射线衍射图谱)；
图4：实施例1中制备得到纳米复合粉的显微形貌图(扫描电子显微镜)；
图5：实施例1、2中制备得到纳米复合粉的显微形貌和粒径分布图(透射电子显微镜)；a1、a2为实例1，b1、b2为实例2。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例中初始Sn块、Si块原料均购自北京中金研新材料有限公司、纯度分别为99.9wt％、99.99wt％。
实施例1
(1)首先按照化学摩尔计量比Sn:Si＝0.34:0.66进行配比，并在高真空悬浮熔炼炉中，通过调节功率使Sn块(熔点较低，气化温度高)融化并逐渐增加功率，相应的功率范围为6～10kW，使Si块融化。整体液化之后，悬浮2分钟之后冷却。
(2)将制备得到的合金铸锭作为阳极，在氢气与惰性气体的体积比为1:1的情况下，通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为250A，电弧电压为30V，蒸发冷凝后形成Sn-Si颗粒。整个过程持续时间为40min，出粉量近50％，在阳极剩余Si含量较多的Sn-Si材料。
实施例2
(1)首先按照化学摩尔计量比Sn:Si＝0.3:0.7进行配比，并在高真空悬浮熔炼炉中，通过调节功率使Sn块(熔点较低，气化温度高)融化并逐渐增加功率，相应的功率范围为6～11kW，使Si块融化。整体液化之后，悬浮2分钟之后冷却。
(2)将制备得到的合金铸锭作为阳极，在氢气与惰性气体的体积比为1:1的情况下，通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为100A，电弧电压为15V，蒸发冷凝后形成Sn-Si颗粒。整个过程持续时间为40min，出粉量近40％，在阳极剩余Si含量较多的Sn-Si材料。

Claims (4)

1.一种Sn-Si合金型纳米复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先按照化学计量比进行配比Sn和Si，并在高真空悬浮熔炼炉中，通过调节功率使Sn块融化，然后逐渐增加功率，增加功率后相应的功率范围为6～11kW，使Si块融化；整体液化之后，悬浮2分钟之后冷却制得Sn-Si合金块体材料；
(2)将制备得到的Sn-Si合金块体材料作为阳极，在氢气与惰性气体氩气体积比为1:1的环境下，通过放电作用形成高强度电弧，起弧电流为100～250A，电弧电压为10～30V，蒸发时间为40～60min；蒸发冷凝后形成固态Sn-Si纳米颗粒。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)下料时通过多配1％～1.5％的Sn烧损量弥补在熔炼制备时部分自由Sn挥发损失。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将Sn块置于Si块的下层。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，Sn、Si原料纯度分别为99.9wt％、99.99wt％。
CN201610097229.0A 2016-02-22 2016-02-22 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法 Expired - Fee Related CN105720249B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610097229.0A CN105720249B (zh) 2016-02-22 2016-02-22 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610097229.0A CN105720249B (zh) 2016-02-22 2016-02-22 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105720249A CN105720249A (zh) 2016-06-29
CN105720249B true CN105720249B (zh) 2018-03-13

Family

ID=56156962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610097229.0A Expired - Fee Related CN105720249B (zh) 2016-02-22 2016-02-22 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105720249B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107552805B (zh) * 2017-09-07 2020-04-03 北京工业大学 一种成分和粒度可调控的钐钴化合物纳米颗粒的制备方法
CN112496333B (zh) * 2020-11-26 2026-03-10 大连理工大学 一种Si-Ti合金纳米粉体的制备方法及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101086040A (zh) * 2006-06-06 2007-12-12 北京大学 一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法
CN101402115A (zh) * 2008-10-13 2009-04-08 大连理工大学 一种金属间化合物纳米颗粒的原位合成方法
CN102392167A (zh) * 2011-11-17 2012-03-28 上海交通大学 一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法
CN102689903A (zh) * 2012-03-27 2012-09-26 大连理工大学 一种蒸发固体原料制备碳化硅纳米粒子及其复合材料的方法
CN102699334A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 北京工业大学 一种纳米晶富锂单相Li-Si化合物块体材料的制备方法
CN103192069A (zh) * 2013-04-15 2013-07-10 安徽工业大学 用于低温磁制冷的稀土-铜-铝纳米颗粒及其制备方法
CN103332658A (zh) * 2013-06-24 2013-10-02 北京工业大学 一种高纯硒纳米粉末的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101086040A (zh) * 2006-06-06 2007-12-12 北京大学 一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法
CN101402115A (zh) * 2008-10-13 2009-04-08 大连理工大学 一种金属间化合物纳米颗粒的原位合成方法
CN102392167A (zh) * 2011-11-17 2012-03-28 上海交通大学 一种添加稀土元素的镁基储氢材料及其制备方法
CN102689903A (zh) * 2012-03-27 2012-09-26 大连理工大学 一种蒸发固体原料制备碳化硅纳米粒子及其复合材料的方法
CN102699334A (zh) * 2012-06-04 2012-10-03 北京工业大学 一种纳米晶富锂单相Li-Si化合物块体材料的制备方法
CN103192069A (zh) * 2013-04-15 2013-07-10 安徽工业大学 用于低温磁制冷的稀土-铜-铝纳米颗粒及其制备方法
CN103332658A (zh) * 2013-06-24 2013-10-02 北京工业大学 一种高纯硒纳米粉末的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105720249A (zh) 2016-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peng et al. Reduced graphene oxide encapsulated selenium nanoparticles for high-power lithium–selenium battery cathode
Tian et al. High capacity group-IV elements (Si, Ge, Sn) based anodes for lithium-ion batteries
Liu et al. NiO/C nanocapsules with onion-like carbon shell as anode material for lithium ion batteries
Wang et al. Preparation and performance of a core–shell carbon/sulfur material for lithium/sulfur battery
Yi et al. Two-step oxidation of bulk Sb to one-dimensional Sb2O4 submicron-tubes as advanced anode materials for lithium-ion and sodium-ion batteries
Wang et al. Scalable preparation of porous micron-SnO2/C composites as high performance anode material for lithium ion battery
CN105226257B (zh) 一种石墨烯包覆多孔颗粒材料及其制备方法
CN103290293B (zh) 锂铝合金及其生产方法和用途
CN111162265B (zh) 一种用于固态电池的金属锂复合负极的制备方法
CN102569757B (zh) 一种铜硅铝纳米多孔锂离子电池负极材料的制备方法
Chen et al. Graphene quantum dots modified nanoporous SiAl composite as an advanced anode for lithium storage
CN102361073B (zh) 一种锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法
CN106611843A (zh) 多孔硅/石墨烯复合的锂离子电池负极材料的制备方法
CN106784766A (zh) 一种用于锂离子电池的多孔负极材料的制备方法及应用
CN106784833A (zh) 硅碳负极材料及其制备方法
CN102623669A (zh) 一种碳锡纳米复合粉体的制备方法与应用
CN106784698A (zh) Si/SiC/C复合材料和制备方法以及锂离子电池负极和电池
Wang et al. Facile synthesis of Sn–C nanocomposite as an anode material for lithium ion batteries
CN108063242B (zh) 一种硅基合金材料及其制备方法和应用
CN105720249B (zh) 一种Sn‑Si合金型纳米复合粉末的制备方法
CN104085923A (zh) 过渡金属硫属化物纳米线及其制备方法和储能应用
CN112496333B (zh) 一种Si-Ti合金纳米粉体的制备方法及应用
CN105098164B (zh) 一种硅锂负极材料及其制备方法
Shen et al. Amorphous mesoporous GeOx anode for Na-ion batteries with high capacity and long lifespan
CN106571458B (zh) 一种阳极复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
OL01 Intention to license declared
OL01 Intention to license declared
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20160629

Assignee: SHENZHEN DISPERSE EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: Beijing University of Technology

Contract record no.: X2024980041750

Denomination of invention: Preparation Method of Sn Si Alloy Nanocomposite Powder

Granted publication date: 20180313

License type: Open License

Record date: 20241226

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180313

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee