一种二维多孔硅及其制备方法与在锂电池中的应用

本发明属于材料，具体涉及一种二维多孔硅及其制备方法与在锂电池中的应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、硅材料具有高理论比容量，是最具潜力的锂离子电池负极材料之一，但是硅负极在脱嵌锂过程中会产生高达300％的体积变化，这会造成颗粒破碎、活性物质从电极上脱落，这些都会使电池的容量快速衰减。二维多孔结构一方面可以有效缓解硅材料在充放电过程中的体积膨胀，另一方面可以提供更多的锂离子传输通道，提高锂离子传输速率。因此，二维多孔硅材料被广泛应用作硅负极。专利cn 115403046 a中公开了一种二维硅，其二维结构中离子在和片层垂直的方向传播速度较慢，阻碍了其在电池中的应用。

3、因此，优化二维多孔硅性能，加料离子在材料中的传输速度具有重要的意义。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种二维多孔硅及其制备方法与在锂电池中的应用，本发明的二维多孔硅的制备方法通过酸刻蚀得到的多孔二维硅可以加快离子在材料中的传输，制备简单、实用性强，易于推广。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、本发明的第一个方面，提供一种二维多孔硅的制备方法，包括：

4、将硅钙合金粉末在酸性溶液中浸泡，抽滤、真空干燥后得硅氧烯粉末；

5、将所述硅氧烯粉末在真空环境中进行热处理得到二维si/sio2；

6、将所述二维si/sio2在氢氟酸溶液中浸泡，离心，真空干燥，即得二维多孔硅材料。

7、在本发明的一些实施例中，所述硅钙合金粉末的化学式为casi2。

8、在本发明的一些实施例中，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸、草酸、硝酸、高氯酸、次氯酸、磷酸中的一种。

9、在本发明的一些实施例中，所述酸为盐酸溶液，盐酸溶液的浓度为12-37wt％。

10、在本发明的一些实施例中，所述真空干燥的条件为温度60-80℃，时间8-12h，真空度0.2-0.5pa。

11、在本发明的一些实施例中，所述热处理的条件为温度300-1000℃，时间6-15h。优选的，热处理过程为梯度升温。在升温过程中硅氧烯可以被充分氧化成siox，siox在进一步的高温处理中发生歧化反应生成均匀分布的二维si/sio2。与固定温度保温相比，梯度升温可以使反应更加充分，提高二维多孔硅的产率。

12、在本发明的一些实施例中，所述氢氟酸溶液的浓度为5-15wt％。歧化过程中产生的二氧化硅可以使用氢氟酸脱除，反应完毕即得二维多孔硅。

13、在本发明的一些实施例中，所述二维si/sio2与氢氟酸溶液的质量体积比为0.6g：40-120ml。

14、本发明的第二个方面，提供了上述的二维多孔硅的制备方法制备的二维多孔硅。

15、本发明的第三个方面，提供了上述的二维多孔硅在锂电池中的应用。优选的，所述应用为二维多孔硅作为锂电池的负极。

16、本发明的有益效果为：

17、(1)本发明采用的前驱体均为商业化样品，制备方法简单可控，在锂离子电池负极的应用极具潜力。

18、(2)本发明的二维多孔硅是利用拓扑化学反应将硅钙合金转化为硅氧烯，在加热过程中硅氧烯首先会被氧化成siox，siox在进一步的高温处理中会发生歧化反应生成均匀分布的二维si/sio2，歧化过程中产生的二氧化硅可以使用氢氟酸脱除。通过本方法制备的二维多孔硅具有晶体结构和超薄的层状结构。

19、专利cn 115403046 a是利用硅钙合金中的钙和氮气的热反应，氮气作为脱出钙元素的反应物，而产生的氮化钙使用稀盐酸脱除制备的二维硅。而本方法主要是利用siox在高温中发生歧化反应，生成的sio2可以使用氢氟酸脱除，反应完全后可以获得二维多孔硅。且本发明的二维多孔硅的制备方法通过酸刻蚀得到的多孔二维硅可以加快离子在材料中的传输，制备方法简单、实用性强，易于推广。

20、(3)本发明的二维多孔硅在用作锂离子电池时可以有效缓解负极材料的体积变化，并加快锂离子的扩散。

技术特征：

1.一种二维多孔硅的制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述硅钙合金粉末的化学式为casi2。

3.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸、草酸、硝酸、高氯酸、次氯酸、磷酸中的一种。

4.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述酸为盐酸，盐酸的浓度为12-37wt％。

5.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的条件为温度60-80℃，时间8-12h，真空度0.2-0.5pa。

6.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述热处理的条件为温度300-1000℃，时间6-15h；

7.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的浓度为5-15wt％。

8.如权利要求1所述的二维多孔硅的制备方法，其特征在于，所述二维si/sio2与氢氟酸溶液的质量体积比为0.6g：40-120ml。

9.权利要求1-8任一项所述的二维多孔硅的制备方法制备的二维多孔硅。

10.权利要求9所述的二维多孔硅在锂电池中的应用；

技术总结
本发明公开了一种二维多孔硅及其制备方法与在锂电池中的应用，属于材料技术领域。将硅钙合金粉末在盐酸溶液中浸泡，反应完后抽滤，干燥得硅氧烯粉末；将硅氧烯粉末在真空环境中进行热处理，在加热过程中硅氧烯首先会被氧化成SiO<subgt;x</subgt;，SiO<subgt;x</subgt;在进一步的高温处理中会发生歧化反应生成均匀分布的二维Si/SiO<subgt;2</subgt;；将二维Si/SiO<subgt;2</subgt;在氢氟酸溶液中浸泡，氢氟酸会与SiO<subgt;2</subgt;反应，反应完全后，反复离心洗涤后，真空干燥，即得具有多孔结构的二维硅材料。本发明的制备方法简单可控、实用性强。通过本方法制备的二维多孔硅具有晶体结构和超薄的层状结构，用于锂离子电池中时可有效缓解负极材料的体积变化，并加快锂离子的扩散。

技术研发人员：冯金奎,耿娟
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15