一种不同硅价态的SiO制造技术

本发明专利技术提供了一种不同硅价态的SiO

【技术实现步骤摘要】
一种不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，特别涉及一种不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，人类对于能源的需求日益增长，传统的一次化石能源储量有限，并且在使用过程中产生各类污染物，现阶段化石能源的过度开采和使用已经导致严重的环境问题。因此研发高能量密度、长循环寿命、低成本的二次电池对社会的发展进步具有重要意义。锂离子电池具有工作电压稳定、能量密度高、循环性好等优势，可大规模应用于各种储能设备。正负极材料的容量决定锂离子电池能量密度，现阶段商业化负极材料多为石墨，其理论比容量仅有372mAh/g，限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。
[0003]硅的理论比容量高达3579mAh/g(Li
3.75
Si)，远高于石墨，可搭配现有正极材料获得更高能量密度的锂离子电池。此外，硅的嵌锂平台高于石墨嵌锂平台，降低了金属锂析出的可能性，安全性能更高。但是硅负极在充放电过程中存在严重的体积膨胀，极易导致硅颗粒破碎失去良好的电子传导特性，SEI膜不稳定等现象，严重恶化电池使用寿命。研究表明，纳米化的硅材料(纳米颗粒，纳米线等)可有效缓解硅材料的体积效应。为进一步提升纳米硅的性能，通过碳包覆抑制硅颗粒的体积膨胀，提高导电性的方法较多(CN115084482A，CN114824200A)。然而，此类方法在制备过程中涉及到碳源的碳化，制备过程相对复杂。专利CN114068869A中利用γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、二醛分子、纳米硅为原料，高温热解得到Si@SiO
x
/C材料，虽然同时引入碳，但制备方法复杂，成本较高，同时制备的材料容量较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料及其制备方法和应用，其目的是为了解决
技术介绍
存在的上述问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的实施例提供了一种不同硅价态的SiOx原位包覆纳米硅负极材料及其制备方法和应用，通过改变反应温度及反应时间调控SiO
x
包覆层中硅的价态(SiO2、SiO
1.5
、SiO)优化Si@SiO
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负极材料的电化学性能与力学性能，制备方法十分简单。
[0006]本专利技术提供了一种不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料，所述不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料是纳米硅颗粒外表面包覆一层由不同价态组成的SiO
x
层。
[0007]优选地，所述SiO
x
层为SiO2、SiO
1.5
、SiO的一种或多种。
[0008]优选地，所述纳米硅颗粒的粒径为20～500nm。
[0009]基于一个专利技术总的构思，本专利技术提供了上述的不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料的制备方法，包括如下步骤:
[0010]S1.配制氢氟酸乙醇水溶液；
[0011]S2.加入纳米硅颗粒粗料，超声分散，机械搅拌，获得混合溶液；使纳米硅在溶液中
均匀分布，且除去原始硅颗粒表面氧化层；
[0012]S3.将所述混合溶液抽滤分离，真空烘干，获得纳米硅颗粒，置于惰性气氛中贮存备用；
[0013]S4.取所述纳米硅颗粒置于马弗炉内，以空气中的氧气为氧化剂，加热进行氧化反应，保温，冷却，获得Si@SiO
x
。
[0014]优选地，所述加热温度为150～1050℃，升温速率为2～20℃/min。
[0015]优选地，所述氢氟酸乙醇水溶液浓度为5～20wt％；所述超声分散时间为30～60min，机械搅拌时间为1～20h，搅拌速率为300～500r/min；所述烘干温度为50～80℃，惰性气氛为高纯氩气，其中H2O≤0.1ppm，O2≤0.1ppm。
[0016]优选地，所述氧化反应温度≤350℃，保温时间0～4h，获得的SiO
x
包覆层主要由SiO
1.5
、SiO组成；所述氧化反应温度为450～650℃，保温时间0～2h，获得的SiO
x
包覆层主要由SiO
1.5
组成；所述氧化反应温度为750～950℃，保温时间0～1h，获得的SiO
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包覆层主要由SiO2、SiO
1.5
组成；所述氧化反应温度≥1050℃，反应时间不受限制，获得的SiO
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包覆层主要由SiO2组成。
[0017]本专利技术还提供了一种电池，所述电池包括上述的不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料或上述的不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料的制备方法制备而成的不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料。
[0018]优选地，所述不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料的硅极片作为工作电极、锂片作为对电极，1mol/L的LiPF6(溶剂为含有10wt％氟代碳酸乙烯酯添加剂的碳酸二乙酯和碳酸乙烯酯体积比为1:1的混合溶液)作为电解液，使用科路得2325型号隔膜，在惰性气氛的手套箱内组装电池。
[0019]优选地，所述硅极片还包括铜箔、导电剂、粘结剂。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0021]1.本专利技术以纳米硅为原料，通过控制反应温度及反应时间制备出具有不同硅价态的SiO
x
包覆层(SiO2、SiO
1.5
、SiO中的一种或多种)，不同硅价态的SiO
x
包覆层电化学性能差异巨大，低价态的SiO
x
包覆层(SiO
1.5
、SiO)具有电化学活性，可在嵌锂过程中原位转变为快离子导体Li
x
SiO
y
，可促进Li
+
的传输，并缓冲硅颗粒的体积膨胀。高价态的SiO
x
包覆层(SiO2)具有电化学惰性，阻碍电荷的传输，恶化电池性能。通过改变反应温度及反应时间即可实现SiO
x
包覆层中硅的价态调控。
[0022]2.本专利技术的制备方法简单，成本低，对环境友好。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本专利技术实施例1～6制备的不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述不同硅价态的SiO
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原位包覆纳米硅负极材料是纳米硅颗粒外表面包覆一层由不同硅价态组成的SiO
x
层。2.根据权利要求1所述的不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述SiO
x
层为SiO2、SiO
1.5
、SiO中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料，其特征在于，所述纳米硅颗粒的粒径为20～500nm。4.如权利要求1～3任一项所述的不同硅价态的SiO
x
原位包覆纳米硅负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:S1.配制氢氟酸乙醇水溶液；S2.加入纳米硅颗粒粗料，超声分散，机械搅拌，获得混合溶液；S3.将所述混合溶液抽滤分离，真空烘干，获得纳米硅颗粒，置于惰性气氛中贮存备用；S4.取所述纳米硅颗粒置于马弗炉内，以空气中的氧气为氧化剂，加热进行氧化反应，保温，冷却，获得Si@SiO
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。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加热温度为150～1050℃，升温速率为2～20℃/min。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸乙醇水溶液浓度为5～20wt％；所述超声分散时间为30～60min，机械搅拌时间为1～20h，搅拌速率为300～500r/min；所述烘干温度为50～80℃，惰性气氛为高纯氩气，其中H2O≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志兴，崔洪旗，郭华军，颜果春，王接喜，李新海，彭文杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：