[发明专利]一种高性能锂离子纳米硅负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能锂离子纳米硅负极材料的制备方法，属于电化学和新能源材料技术领域。

背景技术

锂离子电池因其能量密度较高、循环寿命较长而被广泛应用于各种便携式电子设备当中。随着经济的不断发展，目前的锂离子电池已经无法满足人们日益增长的能量密度方面的需求。开发高比容量的负极材料是提高电池能量密度的主要方式之一。与商业化的石墨相比，硅负极材料具有理论比容量高、电压平台较低、资源丰富、环境友好等优点。但，硅材料在循环过程中存在非常大的体积变化导致循环稳定性变差，通过合成纳米硅材料是一种有效的缓解体积膨胀的手段之一。目前公开报道的纳米硅材料的合成方法主要包括：高温分解硅烷、激光处理块体硅、机械球磨块体硅方法，硅材料的来源相对较窄，处理方法有限，因此，开发新型的硅源来制备纳米硅材料是非常有必要的。

近年来，随着研究的不断深入，研究者们将硅材料的来源逐渐拓展至生物质材料。2013年，崔屹课题组首次报道了硅材料从稻壳中提取(Scientific reports,2013,3,1919)，拉开了生物质材料提取硅的序幕。随后，以竹叶(Nanoscale,2015,7,13840)、芦苇叶(Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,9632)、甘蔗渣(ACS Sustainable Chem.Eng.,2015,3,224)、硅凝胶/硅藻土(ACS Nano,2016,10,2295)及稻壳(Nano Energy,2016,25,120)等生物质材料为原料提取硅并将其与碳材料进行复合的相关研究逐渐被报道。但是目前公开的有关植物中提取硅材料的生物质种类较为有限，且提取得到的硅材料有些并不能达到纳米级尺寸，对缓解硅材料在电化学循环过程中的体积膨胀是不利的。

木贼科属于蕨类植物，全世界约30种，大部分供药用，其中的硅含量为10-15％，是一类新型的纳米硅源。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高性能锂离子纳米硅负极材料的制备方法，制得的纳米硅负极材料具有较高的锂离子电池性能，制备方法简单易于工业化生产。

本发明的技术方案如下：

一种高性能锂离子纳米硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将植物硅源于温度500～800℃下煅烧0.5～3小时，得到白色粉末；

(2)将步骤(1)制得的白色粉末转移至摩尔浓度为0.5～5mol/L的盐酸溶液中搅拌12～24小时，然后用水和乙醇洗涤，洗涤后烘干、研磨，制得SiO₂粉末；

(3)将步骤(2)制得的SiO₂粉末通过镁热还原法制备得到纳米硅材料。

本发明优选的，步骤(1)中所述的硅源为问荆、散生问荆、水生问荆、犬问荆、草问荆、林问荆、木贼、笔管草、节节草、矮木贼、兴安木贼的一种或任意两种或两种以上任意组合。

本发明优选的硅源为问荆或木贼。

本发明优选的，步骤(1)中所述的煅烧温度为600～800℃，煅烧时间1～3小时，最为优选的，煅烧温度为600℃，煅烧时间3小时。

本发明优选的，步骤(2)中盐酸溶液的摩尔浓度为1mol/L，搅拌时间为12小时。

本发明优选的，步骤(2)，白色粉末与盐酸溶液的质量体积比为0.005～0.03：1，单位：g/mL。

进一步优选的，白色粉末与盐酸溶液的质量体积比为0.01：1，单位：g/mL。

本发明优选的，步骤(2)中，烘干温度为：100～120℃。

本发明优选的，步骤(3)中，所述的镁热还原法为以下其中之一：将SiO₂粉末与Mg粉按照质量比1:1的比例研磨后置于体积比为95:5Ar/H₂的惰性气氛的管式炉中，以5℃/min的升温速率升温至650℃煅烧6小时，将产物降至室温后经过盐酸和氢氟酸洗涤、烘干后得到纳米硅材料。

或：将SiO₂粉末与Mg粉按照质量比1:2的比例研磨后置于高温釜中，在500℃下煅烧10小时后得到中间产物。将中间产物取出置于空气中600℃煅烧5小时后经过盐酸处理后得到纳米硅材料。

考虑到安全性问题，本发明选用的镁热还原法为第二种。

本发明的制备方法是将植物中的正硅酸经过煅烧转化为二氧化硅，然后经过镁热还原得到硅的纳米颗粒，除了扩大了硅源，制得的硅材料是纳米级的，在后续电化学测试中能有效地缓解体积膨胀，提高循环稳定性。

本发明的优点如下：