【技术实现步骤摘要】
本专利技术具体涉及一种纳米硅及制备方法、应用和锂离子电池。
技术介绍
1、锂离子电池的负极材料承担着储存和释放锂离子的核心功能，并且在维持电极结构稳定方面扮演着重要角色。对于负极材料的研究是提升锂离子电池整体性能与安全性的关键。目前，市面上广泛使用的锂离子电池负极材料是基于石墨负极。石墨负极以其优异的电化学特性、稳定的循环性能和较低的成本而受到青睐。尽管如此，石墨的能量密度和功率密度相对较低，这限制了它在需要更高能量密度和快速充放电能力电池领域的应用潜力。
2、为了显著增强锂离子电池的性能，研究者们开始将硅基材料、锡基材料、氮化物、磷酸盐等新型材料引入负极材料领域。特别是硅，作为一种新兴的负极材料，它以其高达4200mah/g的理论比容量(远超石墨负极的372mah/g)而备受关注。硅负极不仅展现出良好的循环稳定性，还具有较低的放电电位和在地壳中丰富的储量，这些特性使得硅成为大规模生产和高性价比电池制造的理想选择。尽管如此，硅负极在充放电过程中会遭遇严重的体积膨胀(超过300％)，这会导致电极结构损坏、导电网络破坏以及循环稳定性的降低。硅材料的固有导电性不佳也是一大问题，它会限制电极的功率密度和充放电效率。
3、由于这些挑战，硅负极的循环性能受到影响，从而限制了其在实际应用中的使用寿命。为了克服这些问题，商业上通常采用各种方法将硅颗粒加工到纳米尺寸，从而硅增加比表面积，有利于锂离子的存储，提升比容量并减轻体积膨胀粉化的影响，进而提高电池的循环稳定性。然而，目前用于生产纳米硅的工艺，如砂磨、气相沉积和蒸镀，
技术实现思路
1、本专利技术所解决的技术问题在于克服现有技术中存在的传统金属还原二氧化硅制备单质硅时大量放热导致反应可控性差以及硅形貌不可控、结构易被破坏的缺陷，提供一种纳米硅及制备方法、应用和锂离子电池。本专利技术的制备方法可实现纳米硅材料的温和、简易、快速制备，所制备的纳米硅材料尺寸小，用于锂离子电池时具有优异的电化学性能，尤其是具有较佳的比容量和循环稳定性。
2、本专利技术通过单质溴和高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2之间的置换反应制备纳米硅，利用高熵材料提供较稳定的微观晶格和均匀组分，调控反应速率，生成的金属溴化物副产物可以直接溶解于溶剂中快速清除，实现纳米硅材料温和、简易、快速制备。
3、本专利技术通过以下技术方案解决上述技术问题：
4、本专利技术提供了一种纳米硅的制备方法，其包括以下步骤：在密闭容器中，将高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和液溴在20-100℃的温度范围内加热反应0.5-6h后，经洗涤、干燥，得到所述纳米硅；所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和所述液溴的摩尔比为1：(1-2.5)；所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，0.05＜x＜0.15，0.05＜y＜0.5，0.05＜z＜0.4，0.05＜m＜0.3。
5、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，较佳地，0.08＜x＜0.12，例如0.1。
6、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，较佳地，0.1＜y＜0.4，例如0.2或0.3。
7、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，较佳地，0.05＜z＜0.3，例如0.1或0.2。
8、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，较佳地，0.05＜m＜0.3，例如0.1或0.2。
9、一具体实施方式中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料为mg0.1mn0.2fe0.2ni0.2zn0.3si2、mg0.1mn0.2fe0.2ni0.1zn0.4si2或mg0.1mn0.3fe0.1ni0.1zn0.4si2。
10、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料的制备方法较佳地包括下述步骤：将按化学计量比称取的mg、mn、fe、ni、zn和si的混合物研磨后，置于反应管中，对所述反应管抽真空、密封后，在600-1100℃反应2-10h，得到所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料；其中，“所述mg、mn、fe、ni和zn的摩尔量之和”和所述si的摩尔比为1:2。
11、其中，所述mg、mn、fe、ni、zn和si的摩尔比可为(0.05-0.15)：(0.05-0.5)：(0.05-0.4)：(0.05-0.3)：(0.2-0.6):2，例如0.1:0.3:0.1:0.1:0.4:2、0.1：0.2:0.2:0.1:0.4:2或0.1:0.2:0.2:0.2:0.3:2。
12、其中，所述研磨的操作和条件可为本领域常规，例如在研钵中进行。
13、其中，所述反应管较佳地为石英管。
14、其中，所述反应的温度较佳地为700-900℃，例如800℃。
15、其中，所述反应的时间较佳地为3-8h，例如6h。
16、其中，升温至所述反应的温度的速率可为3-10℃/min，例如5℃/min。
17、其中，所述反应结束后一般还需自然冷却至室温。
18、本专利技术中，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和所述液溴的摩尔比例如为1:1.2。
19、本专利技术中，所述加热反应的温度例如为25℃、50℃、60℃或95℃，较佳地为20-40℃。
20、本专利技术中，所述加热反应的时间例如为0.5h、1h、1.5h或4h，较佳地为0.5-2h。
21、本专利技术中，升温至所述加热反应的温度的速率可为2-5℃/min，例如2℃/min。
22、本专利技术中，所述加热反应结束后，若温度过高，根据本领域常规，一般还需冷却后再进行洗涤、干燥。
23、本专利技术中，所述洗涤的方式可为本领域常规，例如抽滤洗涤。所述洗涤的次数可为3-5次。所述洗涤采用的溶剂可为水、乙醇和异丙醇的一种或多种，例如为水和乙醇的混合溶液。所述干燥的操作和条件可为本领域常规，例如烘干。
24、一具体实施方案中，所述加热反应结束后，将反应产物冷却后进行过滤，固体用溶剂洗涤、烘干后得到纳米硅材料。
25、本专利技术还提供了一种如前所述方法制备的纳米硅。
26、本专利技术中，所述纳米硅的粒径可为50nm～5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米硅的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：在密闭容器中，将高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料和液溴在20-100℃的温度范围内加热反应0.5-6h后，经洗涤、干燥，得到所述纳米硅；所述高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料和所述液溴的摩尔比为1：(1-2.5)；所述高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料中，0.05＜x＜0.15，0.05＜y＜0.5，0.05＜z＜0.4，0.05＜m＜0.3。
2.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料和所述液溴的摩尔比为1:1.2。
3.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为25℃、50℃、60℃或95℃，较佳地为20-40℃。
4.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述加热反应的时间为0.5h、1h、1.5h或4h，较佳地为0.5-2h。
5.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述洗
6.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料的制备方法较佳地包括下述步骤：将按化学计量比称取的Mg、Mn、Fe、Ni、Zn和Si的混合物研磨后，置于反应管中，对所述反应管抽真空、密封后，在600-1100℃反应2-10h，得到所述高熵MgxMnyFezNimZn1-x-y-z-mSi2材料；其中，“所述Mg、Mn、Fe、Ni和Zn的摩尔量之和”和所述Si的摩尔比为1:2。
7.如权利要求6所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述Mg、Mn、Fe、Ni、Zn和Si的摩尔比为(0.05-0.15)：(0.05-0.5)：(0.05-0.4)：(0.05-0.3)：(0.2-0.6):2，例如0.1:0.3:0.1:0.1:0.4:2、0.1：0.2:0.2:0.1:0.4:2或0.1:0.2:0.2:0.2:0.3:2；
8.一种纳米硅，其特征在于，其按照如权利要求1-7中任一项所述的纳米硅的制备方法制备得到。
9.一种如权利要求8所述的纳米硅在锂离子电池中的应用。
10.一种锂离子电池，其特征在于，其包括正极、负极、电解液和隔膜，所述负极包括如权利要求8所述的纳米硅。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米硅的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：在密闭容器中，将高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和液溴在20-100℃的温度范围内加热反应0.5-6h后，经洗涤、干燥，得到所述纳米硅；所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和所述液溴的摩尔比为1：(1-2.5)；所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料中，0.05＜x＜0.15，0.05＜y＜0.5，0.05＜z＜0.4，0.05＜m＜0.3。
2.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述高熵mgxmnyfeznimzn1-x-y-z-msi2材料和所述液溴的摩尔比为1:1.2。
3.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为25℃、50℃、60℃或95℃，较佳地为20-40℃。
4.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述加热反应的时间为0.5h、1h、1.5h或4h，较佳地为0.5-2h。
5.如权利要求1所述的纳米硅的制备方法，其特征在于，所述洗涤采用的溶剂为水、乙醇和异丙醇的一种或多种。
6.如权利要求1所述的纳...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁松，黄凯蒂，黄敏，
申请(专利权)人：上海锂凰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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