[发明专利]一种以微硅粉为Si源制备石墨基Si@C负极材料的方法

说明书

本发明公开一种以微硅粉为Si源制备石墨基Si@C负极材料的方法，所述方法为：将微硅粉进行预处理，然后与镁粉进行球磨混合、还原反应，再经酸洗、离心干燥，即得多孔晶体Si颗粒；将所制备的多孔晶体Si在配置好的PH为8.5的Tris缓冲溶液中与多巴胺均匀混合，使聚多巴胺沉积在Si颗粒的表面，对Si进行包覆，制备出Si@C核壳结构的复合体材料。该复合体材料拥有优异的电化学性能，具有较高的比容量、长循环寿命及高的容量保持率，稳定的循环寿命；碳层与其包裹的Si粒子的孔道结构，也为锂离子的脱、嵌缩短了扩散距离与时间；包覆的碳层增强了Si的导电性；Si@C核壳结构也避免了电解液与Si直接接触，形成不稳定的SEI膜。

技术领域

本发明涉及一种以微硅粉为Si源制备石墨基Si@C负极材料的方法，属于硅碳复合材料制备技术领域。

背景技术

由于锂离子电池的高储能密度与长循环寿命，已被广泛应用在电动汽车、储能设备以及各种便携电子产品上。然而锂离子电池负极中普遍使用的石墨材料理论比容量低，只有372mAh∙g^-1，倍率性能较差，已经不能满足现今对于锂离子电池的需求。因此探索和发展高比容量的电极就成为现今亟待解决的问题。Si是最具潜力的下一代高比容量负极材料，其理论比容量可以达到4200mAh∙g^-1是石墨理论比容量的近10倍。但在电化学循环过程中Si会产生高达370%的体膨胀，造成Si颗粒的碎裂，活性物质的导电网络失联等严重问题，使容量大幅度衰减；SEI膜不断被破坏，消耗电解液中的Li⁺，极大影响其电化学性能。

为了解决以上问题，有效的解决办法有将Si纳米化，如：Si纳米线，管，球以及薄膜等。但制备工艺复杂，成本高且对环境有害，不能被商业化；另一解决办法是在Si的外部包覆上一层半径大于Si颗粒的碳层，给予Si足够的膨胀空间，但这样一来就造成Si的堆积密度不高，理论比容量也未见大幅度的提升。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的在于提供一种以微硅粉为Si源制备石墨基Si@C负极材料的方法。利用工业废料微硅粉对其进行提纯、镁热还原及HCl酸洗后制备出亚微米球状多孔晶体Si粒子，再以多巴胺为碳前驱体在制备出的Si颗粒表面进行碳包覆，制备出Si@C复合体，该种复合体材料表现出了优异的电化学性能；此工艺不仅原料低廉可大量获得且制备方法简单、耗能少、对环境友好以及可商业化生产；通过以下技术方案实现发明目的：

一种以微硅粉为Si源制备石墨基Si@C负极材料的方法，具体包括以下步骤：

（1）微硅粉的预处理：将微硅粉进行焙烧后，分散于酸蚀溶液中，水浴加热至60-90℃，搅拌1-5小时后抽滤、水洗、干燥得预处理样品；

（2）球磨混料及镁热还原HCl酸蚀：按硅粉与镁粉质量比为1:(0.8-1)的比例将预处理微硅粉与镁粉通过球磨混合，经自然干燥后置于密封的石墨坩埚内，转移到Ar气氛的管式炉中，进行镁热还原反应，所得产物经1-2mol/L的HCl酸洗、去离子水离心、干燥后即为多孔晶硅；

（3）碳包覆：按Si与多巴胺(DA)的质量比为1:2的比例将所得多孔晶体Si粒子与多巴胺先后倒进Tris缓冲溶液中进行搅拌混合，当溶液由咖啡色变为墨色后，去离子水离心、干燥，将样品在Ar气氛的管式炉中碳化，随炉冷却至室温，所得样品即为Si@C核壳结构复合体；多巴胺的加入质量为4-6g/L

（4）将所制Si@C复合体与石墨、粘接剂均匀混合成浆料，涂布、辊压后裁片，组装成电池。

优选的，本发明步骤（1）中焙烧条件是在马弗炉中以2-3℃/min，升温至600-700℃，保温4-10h；酸蚀液选用HCl溶液，浓度为2-5mol/L。

步骤（2）中镁粉的粒径为5-150μm。

优选的，本发明步骤（2）中所述球磨参数是：转速100-300rmp，球料质量比为(5-10):1，介质正戊烷，球磨时间24-48h。