一种纳米硅材料及制备方法、应用和锂离子电池与流程

本发明具体涉及一种纳米硅材料及制备方法、应用和锂离子电池。

背景技术：

1、在锂离子电池技术中，负极材料是实现锂离子储存与释放、保持电极稳定性的关键。目前，主流厂商普遍采用石墨负极，其具有卓越的电化学性质、稳定的循环性能以及低成本的特点。然而，石墨的能量密度和功率密度较低，这在一定程度上制约了其在长续航动力电池和快充领域的应用。

2、为了进一步提升锂离子电池的性能，研究人员开始探索硅基材料、锡基材料、氧化物、合金、锂金属等新型负极材料。其中，硅目前的产业化程度较高，作为一种具有4200mah/g理论比容量的新兴负极材料，远超过石墨的372mah/g，引起了广泛关注。硅负极不仅具有优异的循环稳定性，还有较低的放电电位和丰富的地壳储量，使其成为大规模生产和性价比高的电池制造的首选。此外，硅负极还是未来固态电池主要的负极技术路线。然而，硅负极在充放电过程中会出现严重的体积膨胀(超过300％)，导致电极结构损坏、导电网络破坏以及循环稳定性降低。此外，硅材料本身的导电性较差，也会影响电极的功率密度和充放电效率。

3、为了克服这些问题，商业上通常采用将硅纳米化方法，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，从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，对设备要求极为严格，存在生产效率低、设备维护难度大和产量有限等问题。因此，开发低成本、简易、快速合成方法来制备纳米硅材料显得尤为关键。镁金属还原二氧化硅通常用于工业粗硅合成，具有低成本、产量大等优点，但镁等金属还原二氧化硅反应容易发生自蔓延反应，瞬间释放大量放热，破坏硅微纳结构，此外会生成氧化镁等杂质，难以去除干净。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中存在的传统还原法制备硅材料时反应可控性差、硅结构不可控的问题，提供了一种纳米硅材料及制备方法、应用和锂离子电池。本发明的制备方法可实现纳米硅材料的温和可控制备，所制备的纳米硅材料具有较小的尺寸，应用于锂离子电池负极时具有较高的比容量和较好的循环稳定性。

2、硅碳合金是一种是由硅粉和碳粉按一定的比例混合而成的一种粉末，成本低、硅碳合金和碳化硅化合物的性质和用途差别较大，硅碳合金粉末主要用于铸造和冶金行业，可以作为熔剂使用，还可以在炉渣中起到还原作用。

3、本发明通过使用低成本硅碳合金与镁反应制备纳米硅，相对于传统的镁热反应而言，减少了反应消耗的mg量，降低生产成本；反应过程更温和，硅碳合金中的碳可以起到分散硅的作用，此外碳导热性较强，从而减缓反应的剧烈程度，而抑制通常镁热还原法自蔓延反应，使得纳米硅的尺寸更好控制；副产物碳化镁易水解、很容易在界面上和酸溶液反应，容易去除干净。

4、本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

5、本发明提供了一种纳米硅材料的制备方法，其包括以下步骤：将硅碳合金粉末和镁粉在惰性气体保护下、在500～700℃进行加热反应0.5～8h，冷却后经洗涤、干燥，得到所述纳米硅材料；所述硅碳合金粉末中的硅和所述镁粉的摩尔比为1：(1.0～3.5)。

6、本发明中，所述硅碳合金粉末的粒径可为2-500目，例如50目、100目或200目。

7、本发明中，所述硅碳合金粉末中硅的质量分数可为40％-80％，例如50％、60％、70％、75％或78％，优选45％～65％。

8、本发明中，所述硅碳合金粉末可自行通过高温固相反应制备或市购所得。

9、本发明中，所述硅碳合金粉末中的硅和所述镁粉的摩尔比优选为1：(1.0～2.5)，例如1:1.1、1：2.1、1：2.3。

10、本发明中，所述加热反应之前，一般需先将硅碳合金粉末和镁粉混合均匀。

11、本发明中，所述加热反应一般在管式炉中进行。

12、本发明中，所述惰性气体可为本领域常规，例如氮气或氩气。

13、本发明中，所述加热反应的温度优选为500～700℃，例如为550℃、600℃或680℃。所述加热反应的时间优选为0.5～4h，例如1h、1.5h、2h、4h或6h。

14、本发明中，所述洗涤可采用酸洗。较佳地，所述洗涤的过程包括先酸洗、再用溶剂洗。所述酸可为乙酸、盐酸。所述乙酸的浓度可为4-8m，例如6m。所述溶剂可为去离子水、乙醇。

15、本发明中，所述洗涤的次数可为本领域常规，一般为3-6次。

16、本发明还提供了一种如前所述方法制备的纳米硅材料。

17、本发明中，所述纳米硅材料的粒径可为50nm～500nm。

18、本发明还提供了一种如前所述方法制备的纳米硅材料在锂离子电池中的应用。

19、本发明还提供了一种锂离子电池，其包括正极、负极、电解液和隔膜，所述负极包括如前所述的纳米硅材料。

20、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

21、本发明所用试剂和原料均市售可得。

22、本发明的积极进步效果在于：

23、本发明的制备方法简单、成本低廉、利于工业化生产，副产物碳化镁等碳化物可以在溶剂中快速清除，实现纳米硅材料温和、简易、快速制备；所制备的纳米硅材料尺寸较小，用于锂离子电池负极时具有高比容量、高循环等特性。

技术特征：

1.一种纳米硅材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述硅碳合金粉末的粒径为2-500目，例如50目、100目或200目。

3.如权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述硅碳合金粉末中硅的质量分数为40％-80％，例如50％、60％、70％、75％或78％，优选45％～65％。

4.如权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述硅碳合金粉末中的硅和所述镁粉的摩尔比为1：(1.0～2.5)，例如1:1.1、1：2.1、1：2.3。

5.如权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为500～700℃，例如为550℃、600℃或680℃；

6.如权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述洗涤为酸洗；所述酸优选为乙酸或盐酸；所述乙酸的浓度优选为4-8m，例如6m。

7.一种纳米硅材料，其特征在于，其按照如权利要求1-6中任一项所述的纳米硅材料的制备方法制备得到。

8.如权利要求7所述的纳米硅材料，其特征在于，所述纳米硅材料的粒径为50nm～500nm。

9.一种如权利要求7或8所述的纳米硅材料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7或8所述的纳米硅材料。

技术总结
本发明公开了一种纳米硅材料及制备方法、应用和锂离子电池。该方法包括：将硅碳合金粉末和镁粉在惰性气体保护下、在500～700℃进行加热反应0.5～8h，冷却后经洗涤、干燥，得到所述纳米硅材料；所述硅碳合金粉末中的硅和所述镁粉的摩尔比为1：(1.0～3.5)。本发明的制备方法可实现纳米硅材料的温和可控制备，所制备的纳米硅材料具有较小的尺寸，应用于锂离子电池负极时具有较高的比容量和较好的循环稳定性。

技术研发人员：梁松,黄凯蒂,黄敏
受保护的技术使用者：宜兴锂凰储能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13