[发明专利]梯级结构纳米多孔硅、其烧结-刻蚀制备方法及其应用

说明书

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种梯级结构纳米多孔硅、其烧结‑刻蚀制备方法及其应用。针对现有技术中大多数制备方法只能制备普通的纳米多孔硅结构，不能有效解决硅作为锂离子电池负极材料的体积膨胀的问题，本发明的技术方案是：针对体积膨胀过程中的应力空间分布，制备一种从颗粒内部向外孔径和孔隙率依次增加的一种结构，该种结构，可提供体积膨胀过程中需要的空间，有效地减少应力累积，减缓或消除嵌锂和脱锂过程中体积应变对硅负极结构的破坏。电动汽车的发展需要储能电池向高能量密度方向发展，硅以其超高的比能量密度成为最有可能的下一代锂离子负极材料，本发明能解决其膨胀问题必将能极大的推动储能电池在交通领域的应用。

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一种梯级结构纳米多孔硅、其烧结-刻蚀制备方法及其应用。

背景技术

硅具有基础储量大，理论容量高的优点，是锂离子电池负极的理想材料。但硅负极在充放电时高达300-400％的体积膨胀收缩问题，严重的制约了其在储能领域的应用。硅负极的锂化膨胀过程产生的应力是由颗粒中心到颗粒表面依次增加的一个过程。具有特定结构的纳米多孔硅是解决这一问题的可行手段。

纳米多孔硅的制备技术较多，如硅合金刻蚀、硅镁合金的蒸发、二氧化硅的镁热还原等。但目前技术做的较多的是制备普通纳米多孔结构。在孔结构设计，特别是梯级孔结构设计和制备方面还属于空白，因此本技术方案属于填补技术空白的创新性技术发明。

发明内容

针对现有技术中大多数制备方法只能制备普通的纳米多孔硅结构，不能有效解决硅作为锂离子电池负极材料的体积膨胀的问题，本发明提供一种梯级结构纳米多孔硅、其烧结-刻蚀制备方法及其应用，其目的在于：制备一种颗粒内部向外孔结构和孔隙率依次增加的一种结构，该种结构可以有效的减少应力累积，并可提供体积膨胀过程中需要的空间，有效消除或减缓嵌锂和脱锂过程中体积膨胀和收缩对硅负极结构的破坏。

本发明采用的技术方案如下：

一种梯级结构纳米多孔硅的烧结-刻蚀制备方法，包括如下步骤：

[1]将硅粉与铜粉按比例混合碾磨，经充分研磨后的混合粉末在惰性气体气氛下进行烧结，得到前驱体；

[2]将步骤[1]得到的前驱体在具有氧化性的溶液中进行刻蚀；

[3]将经过步骤[2]刻蚀的前驱体过滤、洗涤和干燥即得梯级结构纳米多孔硅。

采用该技术方案，能够制备一种颗粒由内部向外部孔结构和孔隙率依次增加的一种结构，该种结构可以有效的减少应力累积，并可提供体积膨胀过程中需要的空间，有效消除或减缓嵌锂和脱锂过程中体积膨胀和收缩对硅负极结构的破坏。

优选的，硅粉与铜粉的混合比例为0.5：1至5：1。硅粉和铜粉混合在一起进行烧结，在高温下铜硅会形成硅铜合金。控制硅铜摩尔比在本优选方案的范围内，这样得到的前驱体颗粒的结构为：在一个颗粒内部会形成颗粒外层是硅铜合金而内部是硅，硅和硅铜合金的边界存在过渡区。这样对前驱体进行刻蚀时，颗粒的外表面将会形成更多的空隙，并且孔径较大，而颗粒内部的孔隙率较小，孔径较小。

优选的，烧结采用的烧结温度为400-1100℃。

优选的，步骤[2]中所述具有氧化性的溶液为三氯化铁溶液。具有氧化性的溶液可选择任何能够氧化铜的氧化物，本技术方案中，优选为三氯化铁溶液。

本发明还提供上述梯级结构纳米多孔硅的烧结-刻蚀制备方法所制备的梯级结构纳米多孔硅。

本发明还提供上述梯级结构纳米多孔硅用作锂离子电池负极材料的应用方法。

电动汽车的发展需要储能电池向高能量密度方向发展，硅以其超高的比能量密度成为最有可能的下一代锂离子电池负极材料，梯级结构纳米多孔硅用作锂离子电池负极材料能够解决其的膨胀问题，必将能极大的推动储能电池在交通领域的应用。