[发明专利]一种用于锂离子电池的蚁巢状多孔硅的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池的蚁巢状多孔硅的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅化镁原料在含有氨气的气氛中于600‑900℃反应2‑24h，得到含有多孔硅的粗产物(3Mg₂Si+4NH₃→3Si+2Mg₃N₂+6H₂)；硅化镁原料其颗粒粒径为0.2‑10微米；(2)将步骤(1)中得到的含有多孔硅的粗产物经酸洗处理后得到用于锂离子电池的蚁巢状多孔硅。本发明通过对多孔硅关键制备方法的整体工艺流程、以及各个反应步骤的参数条件等进行改进，与现有技术相比，具有制备方法简单易行的突出优点，只需要将得到的硅化镁在氨气(或者氨气与惰性气体的混合气体)中直接加热便可得到大量多孔微米硅，产率高。

技术领域

本发明属于锂离子电池相关组件领域，更具体地，涉及一种用于锂离子电池的蚁巢状多孔硅的制备方法。

背景技术

硅(Si)的理论储锂容量高达4200mA h/g，是商业上石墨负极理论容量的11倍，且Si的电压平台略高于石墨，在充电时不易引起表面析锂的现象，安全性能优于石墨类C负极材料，因而硅有望替代石墨成为下一代高能锂离子电池的负极材料。相比于块体Si材料，纳米Si由于绝对膨胀体积的减小，可减小脱嵌锂过程中产生的应力对材料结构的破坏，改善Si材料的电化学循环性能；另一方面，纳米Si也可缩短锂离子脱嵌深度和扩散路径，带来动力学上的优势。

目前硅纳米材料或纳米多孔硅的制备方法主要有物理法和化学法，物理法主要包括粉碎法、机械合金化法、蒸发冷凝法等；化学法主要包括气相沉淀法、镁热还原法、湿化学还原气溶胶法等。但是目前这些制备多孔硅材料的方法，不仅条件苛刻、成本昂贵，步骤复杂，而且污染严重、涉及很多有毒物质、对人危害性较大。例如专利“一种纳米多孔硅锂电池负极材料及其制备方法与应用”(CN104701491A)中，将硅衬底材料球磨后放入含氢氟酸、硝酸的液体里进行化学腐蚀，形成多孔纳米硅，此方法使用的氢氟酸腐蚀性极大，操作难度系数大，孔结构难以有效控制。又如专利“一种纳米多孔硅的制备方法”(CN105399100A)中，使用去合金法物理溶解或者化学腐蚀去除合金中另一组元的方法来制备多孔硅，此专利中采用金属氯化物熔盐对硅化镁去合金化，此方法得到的多孔硅是由硅纳米颗粒堆积起来的，整体结构不稳定，作为锂离子电池的负极材料，在反复循环过程中由于体积膨胀导致容量急剧衰减，限制了其应用，此外高温下金属氯化物熔盐易吸水，具有强烈的腐蚀性，污染大气。文献中另外一种利用硅化镁去合金制备多孔硅的方法是用贵金属铋的熔体高温下将硅化镁中的镁原子溶解掉，再用硝酸溶液洗掉多余的铋，从而得到多孔硅,如文献“BulkNanoporous Silicon Negative Electrode with Extremely High Cyclability forLithium-Ion Batteries Prepared Using a Top-Down Process”(Nano Lett.2014,14,4505-4510)，这种方法反应要求高要使用昂贵的氦气，铋熔体价格也很昂贵，对设备要求较高，无法大规模广泛应用。

发明内容