【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源材料与储能领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、锂离子电池作为21世纪以来最重要的能源存储技术，对其的应用已经深深地渗透到现代社会的众多领域，如电动汽车、便携式电子设备、医疗设备等。近年来随着各种技术的快速发展带来的各种设备的更新换代，对锂离子电池能量密度的要求越来高。然而目前广泛应用的石墨负极材料其理论比容量仅为372 mah/g，越来越难以应对各界对锂离子电池能量密度的需求，因此，开发新一代高能量密度的锂离子电池负极材料刻不容缓。
2、理论上，硅具有极高的比容量（4200mah/g），远超过商业上广泛使用的石墨负极，这使得它成为提升电池能量密度的关键候选材料。然而，尽管硅具备显著的理论优势，其实际应用却面临诸多挑战。主要问题集中在硅在嵌锂/脱锂过程中产生的巨大体积变化（高达300%-400%）。这种严重的体积效应会导致活性物质结构破裂、粉化以及固体电解质界面层（sei）反复破裂与再生长，进而影响电池的循环稳定性、能量效率和使用寿命。
3、随着新能源产业的发展，晶硅太阳能电池的制造和使用越来越广泛，仅2023年一年，光伏级多晶硅全球产量便高达150万吨。然而，光伏硅片的切割和抛光过程中会产生大量的硅废料，其含有高纯度的硅，占到硅片原料的40%左右，这就导致每年有数十万吨高纯的硅料被浪费。这些硅废料如果不加处理或处理不合理，将造成大量的资源浪费和环境污染。此为现有技术的不足之处。
4、有鉴于此，本专利技术提供一种硅碳负极材料及其制备方法，以解决现有技术
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于为克服现有技术的不足，通过将光伏废硅纳入锂离子电池负极材料的设计中，提供了一种硅碳负极材料及其制备方法。利用这种方法以光伏废硅为主要原料制备硅碳负极材料，不仅能够解决光伏废弃物处理的问题，降低光伏电池成本，促进清洁能源的可持续利用，还解决了硅基负极在脱嵌锂的过程中体积膨胀导致的结构破碎、粉化，同时无需使用粘结剂和集流体的特点可大大提高电池的能量密度。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术提出了一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤1）将光伏废硅初步粉碎后依次进行酸洗和醇洗，干燥后在惰性气体气氛下煅烧，以去除光伏废硅粉中的杂质，得到纯化的硅粉；
5、步骤2）将纯化的硅粉进行球磨细化，得到亚微米硅粉；
6、步骤3）将亚微米硅粉、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈在n，n-二甲基甲酰胺中球磨混合得到纺丝液，通过高压静电纺丝工艺将纺丝液制成纤维膜，在惰性气氛下对所述纤维膜进行高温碳化处理，制得可直接用于锂离子电池负极的无粘结剂硅碳负极材料。
7、步骤1）中所述的光伏废硅为光伏行业生产过程中切割和抛光硅片过程中产生的硅废料，其除了硅之外含有fe、al、o、n等元素的杂质；光伏废硅以硅饼的形态存在，使用粉碎机初步粉碎后使用150目的筛网过筛，粒径过大会影响后续酸洗效果和球磨的进行。
8、步骤1）中所述酸洗所使用的酸溶液为盐酸或硫酸的水溶液，浓度为0.1mol/l～1.0mol/l；醇洗时所用的醇液为乙醇或甲醇。
9、步骤1）中所述酸洗处理中光伏废硅与酸溶液的料液比为0.1～1kg/l。
10、步骤1）中所述酸洗处理中是将光伏废硅置于酸溶液中使用电动搅拌器在200～800rpm下进行搅拌反应1～4h；酸洗结束后过滤光伏废硅并使用去离子水清洗为中性，然后在使用醇液进行清洗。
11、步骤1）中所述干燥为在真空干燥箱中进行真空干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为10h。
12、步骤1）中所述的惰性气体为氩气或氮气，煅烧的时间为1～3h，温度为600～900℃。
13、步骤1）中所述的酸洗是为了去除光伏废硅中残留的铁、铝和其氧化物等无机杂质，惰性气氛下高温煅烧是为了避免光伏废硅氧化的情况下去除光伏废硅中的有机杂质。
14、步骤2）中，球磨为在助磨剂为乙醇下进行湿磨；纯化的光伏废硅粉和助磨料液比为0.1～0.5kg/l；球磨的球料比为10～30：1，球磨速度为300～700rpm，球磨时间为20～45h；球磨后亚微米光伏硅粉的粒径为100～300nm，如果球磨后的亚微米硅粉的粒径太大，会使进行静电纺丝时硅颗粒难以进入碳纳米线中，最终导致电池循环稳定性差。
15、步骤3）中，亚微米硅粉与聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈总重的质量比为1～4：10；聚乙烯吡咯烷酮与聚丙烯腈的质量比为1：9～3：7；聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈在n，n-二甲基甲酰胺中的质量分数为8～15wt%；纺丝液球磨混合的球磨转速为100～300rpm，时间为0.5～2h。
16、步骤3）中使用的聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈的分子质量分别为1300000和150000。
17、步骤3）中，聚乙烯吡咯烷酮的添加是为了提高亚微米硅粉在纺丝液中的分散性，同时与聚丙烯腈同时纺丝成纤；纺丝液球磨混合是为了快速高效的混合纺丝液，节省生产时间并提高亚微米硅粉在纺丝液中的分散性。
18、步骤3）中，所述高压静电纺丝工艺的电压为17～21kv，纺丝推进速率为0.5～1ml/h，接收距离为10～20cm。
19、步骤3）中所述的惰性气体为氩气或氮气，碳化温度为700～1000℃，碳化时间为1～3h，升温速率为3～10℃/min；碳化后硅碳复合材料是具有一定柔性的复合硅碳纤维膜，可直接应用于锂离子电池负极。
20、本专利技术还提供一种硅碳负极材料，该硅碳负极材料由以上步骤制得，且无需使用粘结剂和集流体可直接应用于锂离子电池负极。
21、与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：
22、1）本专利技术将价格低廉的光伏废硅转化为锂离子电池负极材料，成功实现了废弃物的高效再利用，解决了光伏废弃物处理难题，降低了环境污染，同时也有效降低了锂离子电池硅碳负极材料的生产成本，促进了清洁能源产业的可持续发展。
23、2）通过采用特定步骤对光伏废硅进行纯化和亚微米化处理，同时使用静电纺丝工艺构建的3d多孔碳网络结构有效地为嵌锂/脱锂过程中硅的膨胀/收缩提供了应变弹性，有效解决了硅基负极材料在充放电过程中因体积膨胀导致的结构破碎和粉化问题，显著提高了硅碳负极材料的循环稳定性和使用寿命。
24、3）本专利技术所提出的无粘结剂硅碳负极材料制备方法，摒弃了传统工艺中对粘结剂和集流体的依赖，不仅简化了生产工艺流程，还降低了非活性物质的比例，使得单位质量或体积下的电池能够容纳更多的活性物质，从而实现电池能量密度的提升。
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1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述酸洗时使用的酸为浓度0.1mol/L～1.0mol/L的盐酸溶液或硫酸溶液；醇洗时所用的醇液为乙醇或甲醇。
3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的惰性气体为氩气或氮气，煅烧的时间为1～3h，煅烧温度为600～900℃。
4.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中球磨细化时的球磨速度为300～700rpm，球磨时间为20～45h；得到的亚微米硅粉的粒度分布在100～300nm。
5.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，亚微米硅粉与聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈总重的质量比为1～4：10；聚乙烯吡咯烷酮与聚丙烯腈的质量比为1：9～3：7。
6.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯腈在N，N-二甲基甲酰胺中的质量分数为8～15wt%；纺丝液球磨混合的球磨
7.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：
8.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的方法制备的硅碳负极材料，其特征在于，无需使用粘结剂和集流体可直接应用于锂离子电池负极。
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述酸洗时使用的酸为浓度0.1mol/l～1.0mol/l的盐酸溶液或硫酸溶液；醇洗时所用的醇液为乙醇或甲醇。
3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述的惰性气体为氩气或氮气，煅烧的时间为1～3h，煅烧温度为600～900℃。
4.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中球磨细化时的球磨速度为300～700rpm，球磨时间为20～45h；得到的亚微米硅粉的粒度分布在100～300nm。
5.根据权利要求1所述的硅碳负极材料...
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