CN110369711B

CN110369711B - 稳定化锂粉及其制备方法

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Publication number: CN110369711B
Application number: CN201910639128.5A
Authority: CN
Inventors: 胡春林; 周昊; 梁世硕
Original assignee: Kunshan Bao Innovative Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Kunshan Bao Innovative Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: CN110369711A

Abstract

本发明公开了稳定化锂粉及其制备方法。其中，制备稳定化锂粉的方法包括：(1)对锂粉进行球磨处理，得到球磨后锂粉；(2)将所述球磨后锂粉与复合反应液混合并进行稳定化处理，得到稳定化锂粉前体；所述复合反应液包括有机溶剂和氯化氢；(3)对所述稳定化锂粉前体进行干燥处理，得到所述稳定化锂粉。该制备稳定化锂粉的方法通过利用含有氯化氢的有机溶剂对锂粉进行原位包覆，可以显著提高锂粉的稳定性，从而为后续采用锂粉实施的预锂化工艺提供更好的施工条件。

Description

稳定化锂粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体而言，本发明涉及稳定化锂粉及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点，具有很好的经济效益、社会效益和战略意义，已成为目前最受瞩目的绿色化学电源。

Si材料理论比容量高达4200mAh/g(Li4.4Si)，但是在嵌锂过程中体积膨胀高达300％，这不仅仅会破坏电极的结构，造成掉料等问题，还会导致Si颗粒表面形成的SEI膜出现裂纹，导致电解液持续分解。为了解决Si材料体积膨胀的问题，纳米化、Si-石墨复合和合成SiO_X材料等方法纷纷问世。从目前的市场格局来看，SiO_X是最为成熟的高容量Si基负极材料，已经在实际生产中大规模的应用，但是SiO_X目前仍然面临一个问题——首次效率过低，这主要是因为SiO_X材料独特的晶体结构导致的。而对电极材料进行预锂化可以提高首次效率，可以降低正极锂离子损失，提高硅氧体系的循环寿命。

预锂化试剂在预锂化中的作用非同小可，常用的负极预锂化试剂主要有锂粉、锂带等。锂带的加工难度大，同时预锂化程度很难控制。而锂粉由于反应活性和比表面积高，使其在使用过程中容易与空气中的氧气、水分反应发生爆炸。因而，现有的用于预锂化的锂粉仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出制备稳定化锂粉的方法，以及通过该方法制备得到的稳定化锂粉。该制备稳定化锂粉的方法通过利用含有氯化氢的有机溶剂对锂粉进行原位包覆，可以显著提高锂粉的稳定性，从而为后续采用锂粉实施的预锂化工艺提供更好的施工条件。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备稳定化锂粉的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)对锂粉进行球磨处理，得到球磨后锂粉；(2)将所述球磨后锂粉与复合反应液混合并进行稳定化处理，得到稳定化锂粉前体；所述复合反应液包括有机溶剂和氯化氢；(3)对所述稳定化锂粉前体进行干燥处理，得到所述稳定化锂粉。

根据本发明实施例的制备稳定化锂粉的方法，首先将市售的锂粉产品球磨，然后对球磨后锂粉进行稳定化处理，利用含有氯化氢的有机溶剂对磨细后的锂粉进行原位包覆，在锂粉表面形成包覆层，从而可以阻隔锂粉与外界的接触，为后续采用锂粉实施的预锂化工艺提供更好的施工条件。同时，利用含有氯化氢的有机溶剂对锂粉进行稳定化处理的反应条件温和，反应时间可控，且在锂粉表面形成的包覆层均一性好。

另外，根据本发明上述实施例的制备稳定化锂粉的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述球磨处理在惰性气体氛围中进行0.5～2h完成。

在本发明的一些实施例中，所述球磨后锂粉的平均粒径为0.8～500μm。

在本发明的一些实施例中，所述有机溶剂包括选自苯、正己烷、四氯化碳、二氯乙烷、脂肪油、液状石蜡、乙酸乙酯和肉豆蔻酸异丙酯中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述复合反应液的制备方法包括：利用氯化钠制备氯化氢气体；将所述氯化氢气体通入所述有机溶剂中，获得所述复合反应液；其中，所述氯化钠与所述有机溶剂的质量比为(0.2～20):(80～99.8)。

在本发明的一些实施例中，所述复合反应液为所述有机溶剂的饱和氯化氢溶液。

在本发明的一些实施例中，所述球磨后锂粉与所述复合反应液的质量比为(10～60):(90～40)。

在本发明的一些实施例中，所述稳定化处理在惰性气体氛围中、以及20～30℃的温度下进行。

在本发明的一些实施例中，在步骤(3)之前，预先利用所述有机溶剂对所述稳定化锂粉前体进行洗涤。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种稳定化锂粉。根据本发明的实施例，该稳定化锂粉是由上述实施例的制备稳定化锂粉的方法制备得到的。由此，该稳定化锂粉的制备方法温和、反应时间可控，且表面包覆层的均一性好。将其用于锂离子电池的预锂化工艺(例如硅氧负极的预锂化工艺)中，可以显著提高电池的首次以及循环性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的制备稳定化锂粉的方法流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的制备复合反应液的装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备稳定化锂粉的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)对锂粉进行球磨处理，得到球磨后锂粉；(2)将球磨后锂粉与复合反应液混合并进行稳定化处理，得到稳定化锂粉前体；所述复合反应液包括有机溶剂和氯化氢；(3)对稳定化锂粉前体进行干燥处理，得到稳定化锂粉。

下面参考图1～2进一步对根据本发明实施例的制备稳定化锂粉的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：

S100：球磨处理

该步骤中，对锂粉进行球磨处理，得到球磨后锂粉。通过对锂粉进行球磨，可以显著提高锂粉的比表面积，从而提高后续稳定化处理中锂粉的包覆率，进一步提高包覆层对锂粉的稳定效果。另外，需要说明的是，本发明的方法中对原料锂粉的具体种类并不受特别限制，可以采用常规的市售锂粉。也即是说，通过采用本发明提出的方法对常规的市售锂粉进行处理，可以显著提高市售锂粉的稳定性，以满足应用于预锂化工艺的稳定性要求。

根据本发明的一些实施例，上述球磨处理在惰性气体氛围中进行0.5～2h完成。根据本发明的具体示例，球磨处理进行的时间可以为0.5h、1.0h、1.5h或2.0h。发明人发现，由于锂的克容量高(可达3800mA·h/g)，反应活性高，容易与空气中的氧气、氮气、水等发生反应，上述惰性气体氛围优选为氩气氛围，通过将锂粉在氩气氛围中进行球磨处理，可以有效避免球磨过程中锂粉与环境中的氧气、氮气、水等发生反应。通过控制球磨处理的时间在0.5～2h，既可以获得目标粒度的球磨后锂粉，又可以避免成本的浪费。

根据本发明的一些实施例，所述球磨后锂粉的平均粒径为0.8～500μm，例如0.8μm、1.3μm、1.6μm、2.5μm、2.7μm、3.4μm、4.5μm、6.5μm、8.0μm、10.0μm、11.0μm、13.0μm、15.0μm、19.0μm、21.0μm、26.0μm、30.0μm、38.0μm、44.0μm、53.0μm、61.0μm、74.0μm、89.0μm、104.0μm、124.0μm、150.0μm、178.0μm、250.0μm、297.0μm、350.0μm、420.0μm、500.0μm。发明人发现，金属锂粉的反应活性很高，若锂粉粒度过小，比表面积过大，容易引发安全事故；而若锂粉粒径过高，则会因为直接导致其在预锂化时所需的添加量减少，无法均匀的分布在电极材料(如硅氧负极)中，从而使得预锂化时锂金属脱嵌出离子的动力学变差，预锂化效果受到影响。通过控制球磨后锂粉的粒度在上述范围，可以进一步有利于后续预锂化工艺的实施以及预锂化程度控制时的稳定化锂粉添加量的计算。根据本发明的实施例，球磨后锂粉的粒度可以由球磨时间来调整，通过延长球磨时间，可以获得更小粒度的锂粉；通过缩短球磨时间，可以获得更大粒度的锂粉。总得来说，通过控制球磨时间在0.5～2h，可以获得粒度范围在0.8～500μm的锂粉。

S200：稳定化处理

该步骤中，将球磨后锂粉与复合反应液混合并进行稳定化处理，得到稳定化锂粉前体。所述复合反应液包括有机溶剂和氯化氢。根据本发明的实施例，含有氯化氢的有机溶剂可对磨细后的锂粉进行原位包覆，在锂粉表面形成包覆层，从而可以阻隔锂粉与外界的接触(例如阻隔锂粉有环境中潮湿空气的接触)，为后续采用锂粉实施的预锂化工艺提供更好的施工条件。

根据本发明的一些实施例，上述有机溶剂可以包括选自苯、正己烷、四氯化碳、二氯乙烷、脂肪油(fatty oil)、液状石蜡(liquid paraffin)、乙酸乙酯(ethyl oleate)和肉豆蔻酸异丙酯(isopropyl myristate)中的至少之一，优选为正己烷、苯、四氯化碳和二氯甲烷中的至少之一，更优选为正己烷和四氯化碳中的至少之一。上述有机溶剂可以为氯化氢提供良好的溶解性，并起到分散锂粉的作用而不与锂粉发生反应，同时还可以进一步有利于复合反应液在温和条件下对锂粉进行稳定化处理。

根据本发明的一些实施例，上述复合反应液可以按照以下方法制备得到：利用氯化钠制备氯化氢气体；将氯化氢气体通入有机溶剂中，获得复合反应液。图2是根据本发明一个实施例的制备复合反应液的装置结构示意图。图2中，100为氯化氢气体发生装置，200为第一洗瓶，300为安全瓶，400为氯化氢气体吸收装置，500为第二洗瓶，600为尾气吸附装置。根据本发明的具体实施例，氯化氢气体发生装置包括滴液漏斗和圆底烧瓶，滴液漏斗中盛装有浓硫酸(可以采用市售98％浓硫酸)；圆底烧瓶中盛装有适量体积的浓盐酸(可以采用市售36％浓盐酸)和相对于浓盐酸体积10％(w/v)的氯化钠固体，并置于冰水浴中。第一和第二洗瓶中盛装有浓硫酸。氯化氢气体吸收装置包括圆底烧瓶，圆底烧瓶中盛装有上述有机溶剂，且置于冰水浴中。尾气吸附装置包括盛装有氢氧化钠溶液的烧杯，用于吸收尾气(包括氯化氢等气体)。具体制备方法包括：利用滴液漏斗向浓盐酸和氯化钠体系中滴加浓硫酸，生成的氯化氢气体通入有机溶剂中，待有机溶剂吸附饱和后，尾气进入尾气吸收装置，其中，氢氧化钠溶液中有气泡冒出，可以作为有机溶剂吸附饱和的指示。

根据本发明的一些实施例，制备得到的复合反应液为有机溶剂的饱和氯化氢溶液，在使用中，可以根据实际需要进行稀释。

根据本发明的优选实施例，上述氯化钠与有机溶剂的质量比为(0.2～20):(80～99.8)。由此，既可以使有机溶剂吸附饱和，又不会导致过量氯化钠的浪费。

根据本发明的一些实施例，在稳定化处理中，球磨后锂粉与复合反应液的质量比可以为(10～60):(90～40)。由此，可以确保复合反应液对锂粉充分包覆，并在锂粉表面形成厚度均一的包覆层。如果复合反应液相对于锂粉的用量过少，不仅会导致锂粉包覆不充分，还可能导致体系中的热量无法及时散去，恶化反应条件。

根据本发明的一些实施例，上述稳定化处理在惰性气体氛围中、以及20～30℃的温度下进行。发明人发现，由于锂的克容量高(可达3800mA·h/g)，反应活性高，容易与空气中的氧气、氮气、水等发生反应，上述惰性气体氛围优选为氩气氛围，通过将锂粉在氩气氛围中进行稳定化处理，可以有效避免处理过程中锂粉与环境中的氧气、氮气、水等发生反应。通过采用本发明提出的复合反应液对锂粉进行稳定化处理，可以在20～30℃的温度下完成对锂粉的包覆，反应条件温和，且反应时间可控。根据本发明的一些实施例，稳定化处理进行的时间可以为1～4h。制备得到的复合反应液应迅速放入冰箱中保存。

S300：干燥处理

该步骤中，对稳定化锂粉前体进行干燥处理，除去锂粉中过量复合反应液，得到稳定化锂粉。具体地，可将稳定化锂粉前体置于真空中或惰性气体氛围中干燥，惰性气体氛围优选为氩气氛围。

根据本发明的一些实施例，在对稳定化锂粉前体进行干燥处理之前，可先利用有机溶剂对稳定化锂粉前体进行洗涤，所用有机溶剂的种类优选为与制备复合反应液的有机溶剂种类相同。

另外，需要说明的是，前文针对制备稳定化锂粉的方法所描述的全部特征和优点同样适用于该稳定化锂粉，在此不再一一赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

1)锂粉的球磨：取540目的锂粉5g，在氩气氛围下球磨2h；

2)正己烷氯化氢混合溶液的制备：往单口圆底烧瓶中加入一定体积的浓盐酸，再加入10％(w/v)的氯化钠固体，以每秒一滴的速率缓慢向浓盐酸氯化钠体系中滴加浓硫酸，并将反应生成的氯化氢气体通入正己烷，待正己烷吸附氯化氢饱和时停止滴加向浓盐酸氯化钠体系中滴加浓硫酸，迅速将得到的正己烷氯化氢混合溶液密封后放入冰箱储存。

3)稳定性锂粉的制备：取5g正己烷氯化氢混合溶液，利用正己烷稀释到100g，得到稀释液，而后将球磨好的锂粉加入制备好的稀释液中，在氩气环境下、温度为23±3℃条件下搅拌反应1h，得到稳定化锂粉前体。

4)干燥：利用正己烷将稳定化锂粉前体洗涤3次，在氩气氛围内的烘箱内烘干，得到高稳定性的金属锂粉。

实施例2

1)锂粉的球磨：取540目的锂粉10g，在氩气氛围下球磨2h；

3)稳定性锂粉的制备：取5g正己烷氯化氢混合溶液，利用正己烷稀释到100g，得到稀释液，而后将球磨好的锂粉加入制备好的稀释液中，在氩气环境下、温度为23±3℃条件下搅拌反应2h，得到稳定化锂粉前体。

实施例3

1)锂粉的球磨：取540目的锂粉20g，在氩气氛围下球磨2h；

3)稳定性锂粉的制备：取5g正己烷氯化氢混合溶液，利用正己烷稀释到100g，得到稀释液，而后将球磨好的锂粉加入制备好的稀释液中，在氩气环境下、温度为23±3℃条件下搅拌反应4h，得到稳定化锂粉前体。

实施例4

1)锂粉的球磨：取100目的锂粉10g，在氩气氛围下球磨2h；

2)乙酸乙酯氯化氢混合溶液的制备：往单口圆底烧瓶中加入一定体积的浓盐酸，再加入10％(w/v)的氯化钠固体，以每秒一滴的速率缓慢向浓盐酸氯化钠体系中滴加浓硫酸，并将反应生成的氯化氢气体通入乙酸乙酯，待乙酸乙酯吸附氯化氢饱和时停止滴加向浓盐酸氯化钠体系中滴加浓硫酸，迅速将得到的乙酸乙酯氯化氢混合溶液密封后放入冰箱储存。

3)稳定性锂粉的制备：取5g乙酸乙酯氯化氢混合溶液，利用乙酸乙酯稀释到100g，得到稀释液，而后将球磨好的锂粉加入制备好的稀释液中，在氩气环境下、温度为23±3℃条件下搅拌反应4h，得到稳定化锂粉前体。

4)干燥：利用乙酸乙酯将稳定化锂粉前体洗涤3次，在氩气氛围内的烘箱内烘干，得到高稳定性的金属锂粉。

实施例1～4制备得到的稳定化锂粉与市售锂粉的性能对比如表1，结果表明，利用本发明的方法对市售锂粉进行稳定化处理，稳定化锂粉产品的粒度均一，且金属锂含量和氯含量可以满足锂电池的应用要求。

表1性能对比结果

项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	市售锂粉
						粒径D50(μm)	25.6	38.9	45.6	68.3	25.1
金属锂含量(％)	98.20	97.10	95.40	94.10	99.70
						氯含量(％)	1.60	2.60	4.30	5.40	/

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，包括：

(1)对锂粉进行球磨处理，得到球磨后锂粉；

(2)将所述球磨后锂粉与复合反应液混合并在惰性气体氛围中、以及20～30℃的温度下进行稳定化处理，得到稳定化锂粉前体；所述复合反应液为有机溶剂的饱和氯化氢溶液，所述球磨后锂粉与所述复合反应液的质量比为(10～60):(90～40)；

(3)对所述稳定化锂粉前体进行干燥处理，得到所述稳定化锂粉。

2.根据权利要求1所述的制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，所述球磨处理在惰性气体氛围中进行0.5～2h完成。

3.根据权利要求1所述的制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，所述球磨后锂粉的平均粒径为0.8～500μm。

4.根据权利要求1所述的制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，所述有机溶剂包括选自苯、正己烷、四氯化碳、二氯乙烷、脂肪油、液状石蜡、乙酸乙酯和肉豆蔻酸异丙酯中的至少之一。

5.根据权利要求1所述的制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，所述复合反应液的制备方法包括：

利用氯化钠制备氯化氢气体；

将所述氯化氢气体通入所述有机溶剂中，获得所述复合反应液；

其中，所述氯化钠与所述有机溶剂的质量比为(0.2～20):(80～99.8)。

6.根据权利要求1所述的制备稳定化锂粉的方法，其特征在于，在步骤(3)之前，预先利用所述有机溶剂对所述稳定化锂粉前体进行洗涤。

7.一种稳定化锂粉，其特征在于，所述稳定化锂粉是由权利要求1～6任一项所述的制备稳定化锂粉的方法制备得到的。