本发明涉及利用含钛高炉渣和硅源（工业硅、光伏硅废等低纯硅）制备si-ti-fe-mn-v合金材料的方法，具体涉及利用含钛高炉渣、硅源（工业硅、光伏硅废等低纯硅）等合成硅基锂离子电池负极活性材料的方法，属于化工固废资源化利用与电极材料制备。
背景技术：
1、锂离子电池技术作为一种重要的电化学储能技术，具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、安全性高和无记忆效应等优点，广泛用于消费类电子产品、储能系统和动力汽车等领域。当前商用的锂离子电池多以石墨类碳材料为负极，其理论容量仅为372 mah g-1，且容量开发已经接近饱和，但仍旧无法满足对能源密度、运行可靠性和系统集成等方面的需求，新一代负极材料的开发迫在眉睫。硅基负极材料由于其高理论容量 (室温最高可以达到3579 mah g-1)、低嵌锂电位 (低于0.4 v)、原材料储量丰富等优势而广受关注，被视为最具前景的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅在充放电的过程中存在严重的体积膨胀，循环时由于界面的不匹配使得硅表面的sei膜不断破坏再生，造成电解液的持续消耗以及电极表面锂离子的传输速度减慢。此外，硅作为一种半导体，在室温下其电导率低于10-3 scm-1，限制了硅的容量优势的发挥。这些固有缺陷限制了硅负极材料的产业化，并引发了对硅基材料的广泛改性研究。主要的改性方式包括：(1) 纳米化；(2) 合金化；(3) 碳包覆；(4) 构筑多孔结构；(5) 选择适配的电解液和粘结剂等。
2、其中，合金化是通过向硅中引入一种金属框架并使之与部分硅形成合金相。合金相的引入一方面可以充当硅的缓冲骨架，释放硅在体积变化中产生的应力；另一方面，部分硅合金具有较好的导电性，这极大地提高了整体材料的电子传导能力。这类金属有ni、fe、cu、ti、al、mn、mg等。目前，已有不少关于si-fe、si-ni、si-cu、si-ti、si-mg等二元合金锂离子电池负极材料的报道，其制备方法主要包括化学气相沉积（cvd）、机械合金化等。机械合金化是此类电池材料常用的合成方法，原料多采用纯si及合金组分金属粉末进行高温煅烧，成本非常高。cvd方法因其成本高、流程复杂、特殊设备等，仍停留在实验室进行小试研究，工业化困难。因此，开发绿色、高效和低成本的硅基合金类材料制备技术仍然是促进锂离子电池领域实现实际应用的关键。
3、含钛高炉渣是钢铁行业中冶炼钒钛磁铁矿产生的高炉渣，其主要成分为sio2、cao，还含有ti、fe、al、mg等重要二次资源金属元素。近年来光伏产业发展迅速，高纯硅锭切割成硅片过程中会有30~40％左右的晶体硅被磨削成亚微米级的切割锯末（光伏废硅），大量细微的光伏废硅直接排放不仅造成资源浪费，同时也产生了光伏废弃物的污染现象，比如导致土壤和水体污染。光伏废硅因其独特的自然特性——高纯度、亚微米级片状结构及表面覆盖的氧化层，使其成为了制备锂离子电池硅基负极材料的理想选择，将其回收利用于锂离子电池硅基材料的制备已成为重要的发展方向。
技术实现思路
1、鉴于此，本发明提出一种si-ti-fe-mn-v合金材料的低成本绿色方法。该方法由含钛高炉渣、硅源（工业硅、光伏硅废等低纯硅）制备得到si-ti-fe-mn-v合金材料，直接用作锂离子电池高性能负极活性材料，过程中产生的渣相可直接用于生产水泥，实现了废物的高值化和多元组分短流程化回收。
2、本发明创新性地提出了一种高效且环保的方法，巧妙地将含钛高炉渣这一传统工业副产物中的ti、fe、mn、v等金属杂质组元同时得到回收利用。该方法的核心在于利用高温条件下硅（si）的强还原性，促使si与这些金属元素发生合金化反应，形成稳定的合金相。这一过程中，si不仅作为还原剂，还成为了合金化过程中的关键组成部分。随着反应的进行和温度的逐渐降低，体系进入凝固阶段，此时合金相与剩余的渣相之间形成了明显的界面，通过物理手段即可轻松实现渣金的有效分离。尤为重要的是，本发明将所得合金相应用于硅（si）负极材料的改性中，利用合金相独特的框架结构和高导电性，显著改善了si负极在电化学循环过程中的体积膨胀问题，增强了整体材料的电子电导率，从而提升电池的整体电化学性能。
3、利用含钛高炉渣、硅源（工业硅、光伏硅废等低纯硅）制备si-ti-fe-mn-v的技术方案主要包括如下步骤：将含钛高炉渣和硅源球磨混合均匀后，在惰性保护气氛或者真空环境中进行高温煅烧，煅烧温度为1000～1600℃，煅烧时间为0.5～24 h；煅烧后凝固至室温，然后切割分离，粉碎，即得si-ti-fe-mn-v负极材料。
4、优选的，含钛高炉渣和硅源的粒径均为5 mm以下，含钛高炉渣和硅源的重量比为0.5～15:1，煅烧温度为1200~1400℃，保护气氛为氮气或氩气，真空环境的真空度为-0.08mpa以下，定向凝固的速率为0.5～50 mm/h。
5、作为优选方案，所述含钛高炉渣中含有5%～30%的tio2；硅源中硅含量为不低于60%。
6、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
7、本发明首次提出，耦合利用含钛高炉渣和光伏废硅泥等低纯度硅源，同时回收含钛高炉渣中的多元金属组元（包括ti、fe、mn、v等），还巧妙地将这些元素与硅结合，制备出si-ti-fe-mn-v合金。该合金被创新性地应用于锂电池负极材料，而过程产生的渣相（主要组成为casio3）则可直接作为水泥原料。该技术不仅深刻践行了废物资源化的理念，有效减轻了钢铁及光伏两大行业废弃物对环境的压力，更为硅基锂离子电池负极材料的规模化生产开辟了一条前所未有的技术途径，环保效益与经济效益显著。具有以下优点：
8、①本发明采用高温固相合成制备高熵合金负极材料的制备方法，产率高，产物纯度高，工艺简单，可以在常压下进行，节约成本，易于大规模推广。
9、②相比于传统方法以化学纯试剂为原料，本技术以含钛高炉渣以及光伏硅废等低纯度硅源为原料，并高效高值利用了含钛高炉渣中的ti、fe、mn、v等金属元素合成出多元高熵合金，在保持同等电化学性能水平的基础上极大地降低了材料成本，易于大规模制备推广和使用。
10、③本发明开发的si-ti-fe-mn-v多元合金相材料具有稳定的结构和高导电性，极大地提高电池的电化学反应活性，具有较大的放电容量和优异的循环性能。
11、④本发明为多元合金负极材料的提供了高度的灵活性，可通过精细调整原料的配比、精确控制煅烧的温度与时间，以及优化冷却凝固的方式，能够灵活地调控产物的组成成分，实现产品性能的定制化，满足不同应用场景的需求。
12、⑤本发明在高效回收利用含钛高炉渣的过程中，不仅高值高效利用了其中的ti、fe、mn、v等金属杂质组分，还创造性地实现了渣相的全面利用。具体而言，本发明所产生的渣相，其主要化学成分为casio3，这一成分正是水泥生产中的重要原料之一。由此实现了含钛高炉渣中全元素（包括金属元素和非金属元素）的短程化、高效回收利用。
1.利用含钛高炉渣和硅源（工业硅、光伏硅废等低纯硅）制备si-ti-fe-mn-v多元合金锂离子电池负极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，所述含钛高炉渣中至少包含ti、fe、mn、v等金属元素，其中含有ti（以tio2质量分数计）5%～30%；硅源包括光伏硅废、工业硅等，其中硅含量不低于60%。
3.根据权利要求2所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，含钛高炉渣和硅源的粒径均为5 mm以下。
4.根据权利要求2所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，含钛高炉渣和硅源的重量比为0.5～15:1。
5.根据权利要求1所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，煅烧温度为1000～1600℃。
6.根据权利要求1所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，煅烧时间为0.5～20 h。
7.根据权利要求1所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤a中，所述保护气氛为氮气或氩气等惰性氛围；所述真空环境的真空度为-0.06 mpa以下。
8.根据权利要求1所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤b中，所述凝固为定向凝固或非定向凝固（自然冷却）。
9.根据权利要求8所述的利用含钛高炉渣和硅源制备si-ti-fe-mn-v多元合金材料的方法，其特征在于：步骤b中，定向凝固的速率为0.5～50 mm/h。
