熔炼-球磨二步法制备Fe-Mn-Si三元合金

谢 锐,黄 峰,方 茜,詹 晖

(1.武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉 430081;2.武汉大学化学与分子科学学院,湖北武汉 430074)

炭材料用作锂离子电池负极材料,理论容量低、安全性能不理想,替代材料有锡基、锑基和硅基合金等,其中Si能与锂形成 Li4.4Si,理论比容量达4 200 mAh/g[1],但 Si在嵌脱锂时体积变化较大,易导致材料粉化、导电能力降低,缩短电极的寿命[2]。在Si中引入活性或非活性基体,可缓解体积效应[3]。G.X.Wang等[4]用高能机械球磨法制备的Fe-Si复合物,在0～2.5 V(vs.Li+/Li)和电流密度为80 μ A/cm2时的首次可逆比容量为600 mAh/g,第25次循环的比容量为360 mAh/g。左朋建等[5]用机械球磨法制备的Mn-Si复合物,在0.02～1.50 V(vs.Li+/Li)和电流密度为 0.2 mA/cm2时的首次可逆比容量为300 mAh/g,第40次循环的比容量为190 mAh/g。舒杰等[6]认为,三元复合材料有多个活性/活性和活性/非活性体系,抑制体积变化的效果更好。冯瑞香等[7]用机械球磨法制备的Ba-Fe-Si复合物,首次可逆比容量达500 mAh/g。M.D.Fleischauer等[8]用真空溅射沉积法制备了Si-Al-Mn薄膜,随着锰含量的增加,循环性能大致呈上升趋势。机械球磨合金法耗时较长、效率低;真空溅射法复杂、不易操作,都难以进行大规模工业化应用。

本文作者用熔炼-球磨二步法制备了锂离子电池负极材料Fe-Mn-Si三元合金粉末,并进行了相关研究。

1 实验

1.1 Fe-Mn-Si三元合金的制备

以Fe块(湖北产,＞99%)、Si块(湖北产,＞99%)和 Mn块(湖北产,＞99%)为原料,用熔炼-球磨二步法制备 Fe-Mn-Si三元合金试样。原料配比为:40%Si试样(40%Si、40%Fe、20%Mn)、50%Si试样(50%Si、20%Fe、30%Mn)、65%Si试样(65%Si、13%Fe、22%Mn)。将盛有原料的石墨坩埚置于GP-30B型高频感应加热设备(鄂州产)的电磁感应圈内,在1 500℃下加热至原料融化并形成合金,冷却后,得到三元合金材料。……