锂锡金属间化合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种锂锡金属间化合物Li

背景技术

近年来，由于人们对下一代高比能锂离子电池的迫切需求，基于合金反应机制的含锂负极材料Li-M(与Li发生合金化反应的元素)作为一类极具潜力的锂离子电池负极材料受到越来越多的重视。金属锡具有熔点相对较低、成本低、导电性良好等特点，与锂形成的Li-Sn合金因此成为了一种极具优势的负极材料，其特点是高比容量和低过电位。在制备过程中，通常锂与锡会形成多种金属间化合物如Li

目前对有关特定锂锡金属间化合物的制备研究较少，大多数Li-Sn合金制备方法也仅停留在实验阶段，无法大规模生产，限制了其实现工业化应用。Zhang,Chen,Xinlong,等.Roll-to-roll prelithiation of Sn foil anode suppresses gassing and enablesstable full-cell cycling of lithium ion batteries.和CN111952545A公开采用机械辊压方式制备Li-Sn合金用于锂电池负极预锂化；Lou J,Chen K,Yang N,et al.ImprovedCycle Stability of LiSn Alloy Anode for Different Electrolyte Systems inLithium Battery[J].Nanomaterials,2021,11(2):300.公开将原子比为49：1的锂锡金属加热至熔融状态后，混合均匀形成锂锡合金，用作锂电池负极材料，通过XRD分析检测发现形成了Li

高温熔炼是锂合金化较为常规的手段，然而在熔炼过程中，Li-Sn形成金属间化合物Li

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种新的锂锡金属间化合物Li

为达到本发明的第一个目的，所述锂锡金属间化合物为Li

a.在惰性气体环境下，将金属锂与金属锡分别升高温度至400～450℃，待金属锂融化后搅拌10～15min分别得到锡液和锂液；

b.将步骤a中锡液与锂液混合，容器壁上生成的微小晶粒即为Li

所述惰性气氛可以为不与锂、锡反应的气体，例如氩气。

在一种具体实施方式中，所述a和b步骤的整个实验环境为露点不高于-50℃的干燥间内。

在一种具体实施方式中，a步骤所述金属锂的Li质量分数99.95％以上；所述金属锡质量分数99.99％以上。

在一种具体实施方式中，b步骤所述的混合后整个反应过程温度保持在400～450℃。

在一种具体实施方式中，b步骤所述锡液为40～80wt％，其余为锂液；更优的锡液为60～80wt％。

在一种具体实施方式中，所述b步骤还包括搅拌，a、b步骤所述搅拌的转速为100～200r/min。

在一种具体实施方式中，b步骤所述搅拌的时间＝5min+[(锡液质量百分含量-40wt％)/5wt％]min。

在一种具体实施方式中，所述方法还包括：c.待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至190～220℃，浇铸出多余金属液，关闭搅拌，取出容器内的微小晶粒即为Li

在一种具体实施方式中，所述方法还包括d.将所述微小晶粒在露点不高于-50℃的环境中，研磨分筛成Li

在一种具体实施方式中，所述Li

本发明的第二个目的是提供一种锂锡金属间化合物Li

本发明的第三个目的是提供上述方法制备得到的锂锡金属间化合物Li

有益效果：

本发明的锂锡金属间化合物Li

具体优势如下：

(1)安全性：由于锂金属自身的活性较高，熔炼温度越高，安全风险越大，而将温度控制在450℃以下，使得熔炼工艺更加安全。

(2)工艺上：整个熔炼、搅拌、合金处理过程操作简单，易于控制，适用于工业化推广。

(3)经济效益上：由于其制备温度较低，可以减少电能消耗，亦不会产生过多金属蒸汽，对熔炼容器的腐蚀性更低，进而减少了设备维修成本；制备的锂锡合金中间相应用十分广泛，主要体现在：一.用于固相反应法制备三元或多元锂基合金原料。二.其含锂质量百分比较高，可以开发用于预锂化粉末核心。

附图说明

图1为实施例1的锂锡合金粉末XRD图；

图2为实施例1的锂锡合金粉末二次电子图。

具体实施方式

为达到本发明的第一个目的，所述锂锡金属间化合物为Li

a.在惰性气体环境下，将金属锂与金属锡分别升高温度至400～450℃，待金属锂融化后搅拌10～15min分别得到锡液和锂液；

b.将步骤a中锡液与锂液混合，容器壁上生成的微小晶粒即为Li

在一种具体实施方式中，所述a和b步骤的整个实验环境为露点不高于-50℃的干燥间内。

在一种具体实施方式中，a步骤所述金属锂的Li质量分数99.95％以上；所述金属锡质量分数99.99％以上。

在一种具体实施方式中，b步骤所述的混合后整个反应过程温度保持在400～450℃。

在一种具体实施方式中，b步骤所述锡液为40～80wt％，其余为锂液；更优的锡液为60～80wt％。

在一种具体实施方式中，所述b步骤还包括搅拌，a、b步骤所述搅拌的转速为100～200r/min。

在一种具体实施方式中，b步骤所述搅拌的时间＝5min+[(锡液质量百分含量-40wt％)/5wt％]min。

在一种具体实施方式中，所述方法还包括：c.待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至190～220℃，浇铸出多余金属液，关闭搅拌，取出容器内的微小晶粒即为Li

在一种具体实施方式中，所述方法还包括d.将所述微小晶粒在露点不高于-50℃的环境中，研磨分筛成Li

在一种具体实施方式中，所述Li

本发明的第二个目的是提供一种锂锡金属间化合物Li

本发明的第三个目的是提供上述方法制备得到的锂锡金属间化合物Li

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种锂锡金属间化合物Li

(1)在惰性气氛环境下，称取20g锂和80g锡分别置于两个熔炼容器中，升温至400℃进行融化，待两种金属融化后，开启机械搅拌装置，使转速保持在100r/min，搅拌15min。其中：使用的金属锂为电池级锂锭(质量分数99.95％)，金属锡(质量分数99.99％)为锡粒。

(2)将熔融状态的金属锡倒入锂液中，容器壁上瞬间产生许多微小晶粒，保持混合液温度在400，与此同时，持续搅拌金属混合液13min，待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至200℃，浇铸出多余金属锂液，关闭搅拌，取出容器内的固态物质即为Li

(3)在露点不高于-50℃的环境中，通过研磨设备研制成80μm以下、纯度达到了99.52％的合金粉末。

由图1和2可见，图结合来看，Li与Sn主要生成的金属间化合物为Li

实施例2

一种锂锡金属间化合物Li

(1)在惰性气氛环境下，称取40g锂和60g锡分别置于两个熔炼容器中，升温至400℃进行融化，待两种金属融化后，开启机械搅拌装置，使转速保持在100r/min，搅拌10min。其中：使用的金属锂为电池级锂锭(质量分数99.95％)，金属锡(质量分数99.99％)为锡粒。

(2)将熔融状态的金属锡倒入锂液中，容器壁上瞬间产生许多微小晶粒，保持混合液温度在400℃，与此同时，持续搅拌金属混合液9min，待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至200℃，浇铸出多余金属锂液，关闭搅拌，取出容器内的固态物质即为Li

(3)在露点不高于-50℃的环境中，通过研磨设备研制成80μm以下、纯度达到了99.48％的合金粉末。

实施例3

一种锂锡金属间化合物Li

(1)在惰性气氛环境下，称取60g锂和40g锡分别置于两个熔炼容器中，升温至400℃进行融化，待两种金属融化后，开启机械搅拌装置，使转速保持在100r/min，搅拌12min。其中：使用的金属锂为电池级锂锭(质量分数99.95％)，金属锡(质量分数99.99％)为锡粒。

(2)将熔融状态的金属锡倒入锂液中，容器壁上瞬间产生许多微小晶粒，保持混合液温度在400℃，与此同时，持续搅拌金属混合液5min，待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至200℃，浇铸出多余金属锂液，关闭搅拌，取出容器内的固态物质即为Li

(3)在露点不高于-50℃的环境中，通过研磨设备研制成80μm以下、纯度达到了99.42％的合金粉末。

实施例4

一种锂锡金属间化合物Li

(1)在惰性气氛环境下，称取20g锂和80g锡分别置于两个熔炼容器中，升温至450℃进行融化，待两种金属融化后开启机械搅拌装置，使转速保持在120r/min，搅拌15min。其中：使用的金属锂为电池级锂锭(质量分数99.95％)，金属锡(质量分数99.99％)为锡粒。

(2)将熔融状态的金属锡倒入锂液中，容器壁上瞬间产生许多微小晶粒，保持混合液温度在450℃，与此同时，持续搅拌金属混合液13min，待壁上不再生成微小晶粒后，降低温度至200℃，浇铸出多余金属锂液，关闭搅拌，取出容器内的固态物质即为Li

(3)在露点不高于-50℃的环境中，通过研磨设备研制成60μm以下、纯度达到了99.72％的合金粉末。