[发明专利]三维蜂窝状纳米化Si的制备方法及其用途

说明书

本发明属于纳米Si的制备技术领域，涉及三维蜂窝状纳米化Si的制备方法及其用途，将d50为0.2～5μm的颗粒碳包覆前加入到电解质金属离子溶液中，进行超声波或乳化机均匀分散，使微米级Si颗粒表面附吸着金属离子，通过碳材料包覆微米级Si颗粒表面后，采用HF溶液或HF和HO‑的混合溶液对Si内部刻蚀时，利用金属离子附着点，对Si内部发起快速打孔，来达到切割微米Si内部结构，形成三维空间网络蜂窝状结构之完美的纳米化空间结构，十分有利于锂离子电池的锂离子在Si内部脱嵌过程中的体积膨胀，避免了现有技术因体积膨胀而造成内部粉化、破坏电极结构、锂离子电池循环寿命快速衰减的不足，本发明用于锂离子电池负极材料，所产生的循环性能极优，几乎衰减很少。

技术领域

本发明属于纳米Si的制备技术领域，特指一种三维蜂窝状纳米化Si的制备方法及其用途。

背景技术

以锂离子电池为主要表现的电化学储能，主要因其环境友好，循环寿命长，自放电小，能量密度相对其他类电池高的特点，受到了极大的青睐，但随着新能源汽车的发展，国家工信部，科技部等提出到2020年，争取实现电池单体容量密度达到350wh/kg，系统要达到260wh/kg的目标，制造成本要降低到每瓦1元以下，达到这一目标，国家每年对新能源车的补贴即可完全取消，由企业自主技术的提高，参与市场竞争，优胜劣汰，但目前传统的石墨负极材料或硬、软碳负极材料已根本无法满足这一目标的要求，急需开发出低成本，高容量的下一代电池材料，目前高镍三元+硅碳复合负极将成为动力电池主流材料体系，Si材料理论容量约4200mAh/g，比传统石墨类负极、软硬碳负极材料高出近10倍之多，比一氧化硅理论容量高出2.5倍，但是Si(硅)在高度脱嵌锂过程中体积膨胀高达300％以上，会造成造成粉化，剥落的问题即破坏电池电机结构，还会导致Si颗粒表面不断形成SEI膜的生成，导致电解液不断持续消耗，严重影响电池的循环性能，为了解决Si材料在锂离子电池应用过程中，降低体积膨胀而造成不良问题，将Si纳米化，空心化，Si-石墨复合和合成SiO材料纷纷问世，从目前市场格局看，SiO也是高容量负极材料研究方向，已在实际生产中相对小量混合应用，但SiO理论容量也有1700mAh/g左右，但是SiO目前仍然面临一个大的问题，首次效率过低，约能达到最高60％，这主要是因为SiO材料独特的晶体结构所导致决定的，根本无法大幅度，单独用于电池负极。

100nm以下单质纳米硅材料因其制造成本相对较高，巨量工业化生产也受到一定的设备限制，在锂离子电池实际应用到负极材料中，不易分散，极易团聚的问题，团聚后就会失去纳米硅因低膨胀率的功能作用，所以目前全球科研人员对硅的微规结构也十分注意研究开发应用，即要达到Si的纳米化后的低膨胀的性能，又要硅纳米化后不易团聚，同时又要能巨量工业化生产供应，实现降低成本这一要求，本发明的方法，就是往这一些方面研究开发生产，即能巨量生产，又能大幅度提高硅基负极在锂离子电池中的高比容量，同时有着最优循环效率长寿命的锂离子电池负极材料，300周循环后，衰减度不到15％，保持容量在85％，比目前石墨负极300次循环效率保持在90％接近，是下一代锂离子电池普及的理想材料之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维蜂窝状纳米化Si的制备方法及其用途。

本发明的目的是这样实现的：

微米级Si制备三维蜂窝状纳米化Si的方法，包括如下步骤：

(1)将D50(一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径)为0.2～5μm的单质Si颗粒粉末，加入到金属电解质溶液中，加入单质Si后的金属电解质溶液浓度为0.005～5mol/L、固液比为3～38％：97～62％，采用超声波或乳化机或磁波振动均匀分散，分散时间为10～300min，使单质Si颗粒表面附吸着金属离子，采用离心分离或压缩过滤或真空抽滤或喷雾干燥或蒸发烘干，得到相对干燥、表面附吸有金属离子的微米级Si颗粒材料；

(2)将步骤(1)得到的Si颗粒材料进行碳包覆，得到碳包覆的Si颗粒材料；