[发明专利]一种三维枝晶多孔硅的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种三维枝晶多孔硅的制备方法及其应用，属于多孔硅制备领域。其技术方案为：所述制备方法包括以下步骤：S1、前驱体合金制备；S2、将步骤S1得到的厚度为5μm~500μm的前驱体合金置于腐蚀液进行脱合金处理，得到脱合金试样；S3、后续处理得到三维微/纳米枝晶结构多孔硅材料。本发明的有益效果为：本发明的采用生产常用的铸造铝硅合金作为原材料，大幅降低生产成本，同时可解决粉末材料难以控制前驱体合金金相组织，进而调控最终制备多孔硅材料结构形貌这一难题；该发明中所述的前驱体合金组织调控及试验条件容易控制，可解决了低成本储能的产业化瓶颈问题，具有良好的商业化前景。

技术领域

本发明涉及一种多孔硅制备领域，尤其涉及一种三维枝晶多孔硅的制备方法。

背景技术

随着太阳能、风能等清洁能源技术和产业的发展，亟需低成本的高容量储能技术的发展。与传统的铅酸电池、镍氢电池等电池相比，锂离子电池等为代表的二次储能设备因其工作电压高、能量密度高、重量轻、无记忆效应、高低温适应性强且绿色环保等优点而得到广泛应用。石墨是虽然是商业化最成功的储能设备的负极材料，但是石墨材料的理论比容量372mAh·g^-1，其能量密度已无法满足需求。目前，在所有已了解的负极材料中，硅的理论比容量高达4200mAh·g^-1，同时硅还具有较低的嵌锂电位、储量丰富、价格低廉、环境友好等优点。因此，硅被认为是最有希望、最有潜力替代传统石墨负极的一种材料。

硅的最大缺点就是在嵌锂/脱锂过程中会发生高达300%的体积膨胀，使得其循环容量及使用寿命的迅速衰减。为缓解上述提及的硅体积膨胀、循环性能差等问题，在硅负极材料中引入多孔结构可缓冲体积膨胀应力、增加与电解液的接触位点、提升其容量等。因此，国内外针对多孔硅的制备及相关研究较多，其常用的制备方法和工艺有：镁热还原法、金属辅助化学刻蚀法、模板法、先化学反应然后刻蚀法、脱合金法等。

国内专利CN201310122811.4、CN2015109222810、CN2016105470638、CN2016110399407、CN2016104453917、CN2017102423470等专利公开了多孔硅的制备方法。但是，这些多孔硅材料的制备方法采用的原材料是合金粉末或纯金属粉末材料，缺点是粉末材料价格高且粒度不均匀、粉末材料的金相组织及后续制备的多孔硅材料形貌结构难以实现调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用生产常用的铸造铝硅合金作为原材料，大幅降低生产成本，同时可解决粉末材料难以控制前驱体合金金相组织，进而调控最终制备多孔硅材料结构形貌这一难题；该发明中所述的前驱体合金组织调控及试验条件容易控制，可解决了低成本储能的产业化瓶颈问题，具有良好的商业化前景的三维枝晶多孔硅的制备方法。

本发明是通过如下措施实现的：

一种三维枝晶多孔硅的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、前驱体合金制备：取适量铝硅合金，使用熔炼设备将铝硅合金进行熔配，得到液态铝硅合金，将得到的液态铝硅合金进行适宜的熔体处理，然后调控熔体的冷却速度并浇注获得试样，试样的金相组织中含微/纳硅相颗粒，将所得试样采用线切割和预磨机磨制进行处理，得到厚度为5μm~500μm的前驱体合金；

S2、将步骤S1得到的厚度为5μm~500μm的前驱体合金置于腐蚀液进行脱合金处理，得到脱合金试样；

S3、后续处理：将步骤S2得到的脱合金试样，先用去离子水反复冲洗100s~300s，然后再放入无水乙醇中，利用超声波清洗6min~15min，从而清除残留的其他杂质附着物，最后将湿润状态下的试样放入真空干燥箱中干燥5h~10h，即可得到三维微/纳米枝晶结构多孔硅材料。

本发明的具体特点还有：

所述步骤S1中的铝硅合金为二元铝硅合金或多元铝硅合金，所述的铝硅合金为块状或棒状试样。