一种多孔Si/SiO制造技术

本发明专利技术提供了一种多孔Si/SiO

【技术实现步骤摘要】
一种多孔Si/SiO
x
复合材料的制备及应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种多孔Si/SiO
x
复合材料的制备和应用。

技术介绍

[0002]硅被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一，但在嵌锂/脱锂过程中，其体积变化较大（>300%），导致硅电极粉化，最终导致容量衰减。为了克服硅基负极循环稳定性差的问题，多孔硅材料通常被用于改善其储锂性能。
[0003]然而，多孔硅材料存在首次库伦效率低，振实密度低，长循环性能差等问题。为了提高硅负极的电池性能，很多研究者将多孔硅和碳材料，如石墨、石墨烯、碳纳米管等材料进行复合，取得了较好的成功，但电极振实密度低、体积比容量低的问题依然存在，距离大规模商用还有一段距离。另外，普遍认为硅氧化物具有较好缓冲体积膨胀的不可逆相，得到了大规模的研究。因此，开发一种具有高振实密度、高能量密度的新型硅负极复合材料具有重大的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种多孔Si/SiO
x
复合材料的制备方法。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供所述多孔Si/SiO
x
复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，大幅提高硅负极的循环稳定性、振实密度和能量密度。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术多孔Si/SiO
x
复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）硅
‑r/>金属合金的制备：将活泼金属和硅进行熔配，冷却后，采用切割和球磨处理，得到硅
‑
金属合金。其中，所述活泼金属为铝、锂、镁、锡中的至少一种；所述活泼金属和硅的熔配温度为180℃～1000℃，熔配时间为0.2～24小时；所述球磨为机械球磨，球磨时间为0.2～24小时，转速为100～2000 rpm；所述硅
‑
金属合金中，活泼金属的含量为5～80%；所述硅
‑
金属合金的粒径为1～100微米。
[0007]（2）多孔硅材料的制备：将硅
‑
金属合金在酸溶液中刻蚀，经离心、洗涤和真空干燥后得到具有三维网络结构的多孔硅材料。其中，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的至少一种；所述酸溶液的浓度为0.1～10 mol/L；所述刻蚀反应时间为0.2～24小时；所述多孔硅材料的粒径为1～100微米。
[0008]（3）多孔Si/SiO
x
复合材料的制备：将多孔硅材料和SiO
x
按照质量比1:0.1～1:20混合，在惰性气氛保护下进行球磨，得到多孔Si/SiO
x
复合材料。其中，所述SiO
x
的粒径为10～500纳米；所述SiO
x
中，x的取值为0<x≤2；所述球磨为机械球磨，球磨时间0.2～24小时，转速为100～2000 rpm；所述多孔Si/SiO
x
复合材料粒径为1～100微米；所述多孔Si/SiO
x
复合材料的振实密度为0.1～2.0g cm
‑3。
[0009]本专利技术将多孔Si/SiO
x
复合材料制备为电极，具有良好的循环性能和高的比容量，
可应用于锂离子电池负极材料。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：（1）本专利技术通过调整硅
‑
金属合金的配比和结构，有效调控多孔硅材料的结构和粒径，为锂离子的传输提供更加优异的孔结构。
[0011]（2）多孔Si/SiO
x
复合材料复合材料充分利用了多孔硅的高比容量、SiO
x
优异的循环稳定性，二者优势互补和良好匹配。SiO
x
镶嵌在多孔硅孔隙里，有效提高了电极的振实密度和能量密度，电极具有良好的循环性能和高的比容量。
[0012]（3）本专利技术采用了球磨法，具有工艺简单、操作方便，易于规模化生产等特点。
附图说明
[0013]图1为实施例1中铝硅合金SEM图；图2为实施例1中多孔硅材料SEM图；图3为实施例1中多孔Si/SiO
x
复合材料SEM图；图4为实施例1中多孔硅电池循环性能图；图5为实施例1中多孔Si/SiO
x
复合材料复合材料电池循环性能图。
具体实施方式
[0014]实施例11、多孔Si/SiO
x
复合材料的制备（1）称取硅粉70g，30g铝粉，进行熔配（熔炼温度700℃、时间8小时），冷却后，采用切割和球磨处理（800 rpm，5小时），得到粒径约2微米铝硅合金（硅含量70%）。。
[0015]（2）将铝硅合金置于1 mol/L的盐酸溶液中刻蚀120分钟，经离心、洗涤和80℃真空干燥后，即可得到粒径约2微米的多孔硅材料。多孔硅材料的振实密度为0.46 g cm
‑3。
[0016]（3）将多孔硅材料和20纳米的SiO颗粒按照质量比1:2在球磨机中球磨12小时，转速为1000 rpm，得到粒径约2微米的多孔Si/SiO
x
复合材料。多孔Si/SiO
x
复合材料的振实密度为0.85g cm
‑3。
[0017]2、电极片的制备将得到的多孔Si/SiO
x
复合材料、乙炔黑、CMC粘结剂按照重量比7:1.5:1.5混合，制备成浆料并将其涂于铜箔集流体上，在真空条件下于60℃干燥12小时得到电极片。以金属锂片为对电极，以1M的LiPF6的EC/EDC（V
EC
:V
DEC
=1:1）溶液作为电解液，装配成扣式电池。将组装好的锂离子电池在0.01～2.0V电压范围内以不同的电流密度进行充放电循环测试。
[0018]图1为本实施例中的所得到铝硅合金SEM图，从图中可以看出铝硅合金粒径为2微米。图2为本实施例中的所得到的多孔硅材料的SEM图，观察发现刻蚀后形成了三维网络结构。图3为本实施例中的所得到的多孔Si/SiO
x
复合材料SEM图，观察发现纳米SiO
x
镶嵌在多孔硅的孔隙里。图4为本实施例中的所得到的多孔硅材料的电池循环性能图，在1 A g
‑1的电流密度下在第250周仍能保持1580 mAh g
‑1的可逆容量。图5为本实施例中多孔Si/SiO
x
复合材料电池循环性能图，在1 A g
‑1的电流密度下在第300周仍能保持2000 mAh g
‑1的可逆容量，循环性能明显优于多孔硅材料。
[0019]实施例2
（1）称取硅粉50g，50g铝粉，进行熔配（熔炼温度1000℃、时间12小时），冷却后，采用切割和球磨处理（500 rpm，2小时），得到粒径约10微米的铝硅合金（硅含量50%）；（2）将铝硅合金置于0.5 mol/L的硫酸溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔Si/SiO
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复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）硅
‑
金属合金的制备：将活泼金属和硅进行熔配，冷却后，采用切割和球磨处理，得到硅
‑
金属合金；（2）多孔硅材料的制备：将硅
‑
金属合金在酸溶液中刻蚀，经离心、洗涤和真空干燥后得到具有三维网络结构的多孔硅材料；（3）多孔Si/SiO
x
复合材料的制备：将多孔硅材料和SiO
x
按照质量比1:0.1～1:20混合，在惰性气氛保护下进行球磨，得到多孔硅/SiO
x
复合材料；所述SiO
x
的粒径为10～500纳米；所述SiO
x
中，x的取值为0<x≤2。2.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiO
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复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述活泼金属为铝、锂、镁、锡中的至少一种。3.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiO
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复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述活泼金属和硅的熔配温度为180℃～1000℃，熔配时间为0.2～24小时。4.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiO
x
复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述球磨为机械球磨，球磨时间为0.2～24小时，转速为100～2000...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳文军，张文学，刘元戎，张浩，
申请(专利权)人：金川集团化工新材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：