[发明专利]一种用于锂离子电池负极的二维硅纳米片及其制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种用于锂离子电池负极的二维硅纳米片及其制备方法。其主要针对现有的二维硅纳米片只能在实验室通过复杂的过程少量制备，缺少一种低能耗、可规模化制备二维硅纳米片的方法的问题，提出如下技术方案：按照以下方法制备而成：步骤一：硅合金在酸溶液中刻蚀得到多孔硅；步骤二：多孔硅通过气流粉碎机得到微米硅片；步骤三：微米硅片在分散剂的作用下，砂磨得到锂离子电池负极的二维硅纳米片。本发明制备能耗低，设备投入量低，降低二维硅纳米片的制备成本，推广二维硅纳米片的使用范围，应用二维硅纳米片的锂离子电池续航能力强。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种用于锂离子电池负极的二维硅纳米片及其制备方法。

背景技术

在现有的能量存储设备中，锂离子电池具有能量密度高，体积小，无记忆效应和自放点效应小等优点，已经被广泛应用在便携式电子设备中，并在电力储能系统和航空航天领域发挥着重要作用。但目前商业化的锂离子电池能量密度约为150-180Wh/Kg，难以满足消费电子产品，尤其是电动汽车的续航需求。

因此，急需发展高能量密度的锂离子电池体系。从负极材料的角度看，硅具有理论比容量高(4200mA h g-1)和电压平台低的优点，被认为是下一代锂离子电池的理想负极材料。但硅较低的本征电导率和在充放电过程中巨大的体积变化限制了其在锂离子电池领域的应用，对硅基负极进行改性克服上述缺点具有非常重要的意义。

目前对硅基负极常用的改性有三种：纳米化、多孔化或者与碳复合。从理论上讲，硅纳米颗粒的尺寸越小，其在充放电过程中绝对体积的膨胀就越小，所以纳米化是从本源上解决硅负极材料体积膨胀的手段。工业上常用的制备硅纳米颗粒的方法都是从大尺寸的单晶硅或粗硅出发，通过物理的手段(如砂磨、球磨等)不断的减小尺寸。但这些方法存在一些问题，一是需要多台砂磨机或球磨机联动，大规模生产时的能耗大，不符合当前碳达峰和碳中和的双碳国家战略。二是得到的纳米颗粒一般是三维球形颗粒，在充放电过程中绝对体积膨胀虽有所减小，但各向同性的膨胀易导致硅颗粒的破碎，降低电极材料的稳定性。

近期报道提出二维硅纳米片可以克服三维硅纳米颗粒的缺陷(AdvancedFunctional Materials,2022,2110046)，其轴向和径向各向异性的体积膨胀有利于硅颗粒在充放电过程中完整结构的保持，提高循环寿命。

但二维硅纳米片的制备通常需要复杂的化学过程或精密的物理设备(CVD、PVD、原子束切割等)，只能实验室少量制备。目前仍缺乏一种低能耗、可规模化制备二维硅纳米片的方式。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的现有的二维硅纳米片只能在实验室通过复杂的过程少量制备，缺少一种低能耗、可规模化制备二维硅纳米片的方法，从而使得二维硅纳米片不能广泛的推广使用的问题，提出一种用于锂离子电池负极的二维硅纳米片及其制备方法。

本发明的技术方案：一种用于锂离子电池负极的二维硅纳米片，按照以下方法制备而成，具体包括以下制备步骤：

步骤一：选择合适的硅合金，并将硅合金在酸溶液中刻蚀得到多孔硅；

步骤二：将步骤一获得的多孔硅转移到气流粉碎机中粉碎得到微米硅片；

步骤三：步骤二获得的微米硅片在分散剂的作用下，分散在溶剂中后进行砂磨处理，得到锂离子电池负极的二维硅纳米片。

优选的，所述步骤一中选用的硅合金为SiCu，SiFe，SiMn，SiTi，SiAl，SiMg，SiSn和SiSb中的任意一种或几种的组合物，所述硅合金中硅的含量为1-99％，硅合金的平均粒径为50-1000目。

优选的，所述步骤一中刻蚀所用的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸和氢氟酸中的任意一种或几种的组合物，刻蚀时间为2-120h，刻蚀温度为20-80℃。