CN102237519B - 锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法 - Google Patents

Abstract

一种锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，通过将普通的微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，然后在高温下将硅化镁进行热解，形成镁蒸汽和具有三维多孔结构的硅粉。本发明提供的锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，制备过程实现无氟化，避免环境污染；材料具有多孔结构，可以对硅颗粒得体积效应进行自吸收；材料比容量和循环稳定性得到了一定的提高；合成工艺简单、易于操作、材料制备成本低。

Description

锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法

技术领域

本发明属于电化学电源领域，具体涉及一种锂离子电池多孔硅负极材料的制备方法技术。 

背景技术

负极研究中除碳类负极材料外，许多研究集中在具有高容量储锂特性的金属（如Al、Zn、Cu、Sn等）、半导体（Si）、金属氧化物（如CoO、Co₃O₄、Cu₂O、NiO、FeO、SnO、SiOx）、磷化物（Sn₄P₃）、锂过渡金属氮化物Li_3-xM_xN（M为Co、Cu、Ni）和磷化物Li₇MP₄（M为Ti、V、Mn）等材料上。金属氧化物首次循环效率低，且脱锂电位太高；锂过渡金属氮化物在短路或过放电时可能分解产生氮气；而嵌锂磷化物在空气中会释放出有毒气体磷化氢，有安全隐患。对于锂合金来说，在锂离子嵌/脱过程中因体积效应导致电池容量迅速衰减。研究表明，将活性母体晶粒尺寸降到亚微米或纳米级能有效减小颗粒的绝对体积变化，显著改善电极的循环稳定性。单质硅的理论嵌锂容量（Li_4.4Si vs.4200mAh/g）是石墨类负极材料理论容量（372mAh/g）的11倍，加之其嵌/脱锂电位理想、与电解液反应活性低及在地壳中储量丰富而成为下一代锂离子电池负极材料研究的热点。然而将硅作为锂离子负极材料其可逆性能并不理想，这是由于硅的本征电导率低（6.7×10^-4S/cm）及硅在锂离子嵌/脱过程中体积变化巨大（80%-40%）两个因素引起的。电导率低使活性物质颗粒间电荷传递受阻，而体积变化产生的应力会引起硅颗粒破裂、粉化，最终因与集流体失去电接触而失效。针对上述问题，目前硅负极研究主要向“低维化”和“复合化”两个方向发展。

低维化是指以一维硅纳米线或二维硅薄膜为锂离子嵌/脱母体来缓解体积效应，进而改善其循环稳定性。复合化则是将硅分散在一种电化学惰性相或电化学活性相基体中，借助于基体相吸收硅颗粒体积变化进而阻止颗粒粉化失效。由于碳基体具有质轻、体积效应小及导电性好等优点，将硅颗粒分散在碳基体中构成硅/碳复合材料已成为硅基复合材料中最广泛研究的一种。通过化学气相沉积、高温热解、喷雾热解、酚醛缩聚-热解、或碳水化合物常温脱水等方法均可在硅颗粒表面包覆无定形碳层或将硅颗粒“包埋”在无定形碳基体中，得到的复合材料循环性能较纯硅虽有显著地改善，但其长期循环稳定性不理想仍是制约以实心硅颗粒为储锂母体复合负极材料实用化的瓶颈。

已有研究证实，通过控制材料微观形貌，将其制成空心球、巢形或多孔形结构可以提高材料的可逆容量并有效改善材料的循环性能。Shina等采用电化学阳极氧化法获得了多孔单晶硅薄膜负极（孔径1-2微米），证实孔隙能促进锂离子嵌/脱反应，并对硅薄膜体积变化起到有效地缓冲作用，是电极微观结构保持稳定的重要原因。

因此，若能在多晶硅颗粒上造出呈三维分布的孔隙，三维孔隙的存在将有效缓冲锂离子嵌/脱而在任意方向上积累的应力，防止硅颗粒粉化失效，这种对体积效应具有“自吸收”作用的多孔硅粉有望获得更有益的循环性能。

多孔硅薄膜制备是通过电化学阳极氧化或化学刻蚀工艺实现的，两种工艺均利用了氢氟酸对单晶硅特定晶向择优腐蚀而实现孔隙以为生长，而在多晶硅颗粒上造孔的研究开展的较少。另一方面，氢氟酸的毒性、腐蚀性很强，对实验操作有很高的要求。因此，本发明拟采用一种无氟化的方法制备多孔硅粉。 

发明内容

本发明的目的是要提供一种无氟化制备三维多孔硅粉负极材料的方法。该方法是通过将普通的微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁。

本发明的目的是这样实现的：一种锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，包括以下步骤：

（1）制备硅化镁

微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，取一定量的硅粉和镁粉，根据硅、镁反应的化学量使镁粉过量20%，将原料研磨混匀后用容器装好，放入管式炉内，制备硅化镁；

（2）制备多孔硅负极材料

将步骤（1）得到的物料再次研磨混匀，用容器装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，从而得到多孔硅；反应完成后，对所得多孔硅粉用盐酸进行酸洗，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质；将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质；所得物料过筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料；

（3）制备多孔硅/碳复合负极材料

按照多孔硅、碳质量比为1:1，取步骤（2）得到的多孔硅粉材料粉和葡萄糖（C₆H₁₂O_6·H₂O）粉末，加入蒸馏水搅拌均匀，然后将溶液置于负压环境中以除去孔隙中的空气，搅拌混匀后将溶液倒入水热釜中，进行水热反应，水热反应后，将烘干的物料在管式炉内进行热处理，随炉冷却后过筛即得到多孔硅/碳复合材料。

步骤（1）中硅粉和镁粉反应中温度控制在500℃－650℃之间，反应过程中采用惰性气体保护，并保温8小时。

步骤（2）得到的物料再次研磨混匀，用容器装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，反应条件：500℃、真空、保温2h，继续升温，800℃~1100℃、真空、保温3h，从而得到多孔硅；反应完成后，对所得多孔硅粉用盐酸进行酸洗，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质；将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，处理条件：1000℃、氩气保护、保温3h，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质；所得物料过筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料。

步骤（3）中的水热反应条件是：180℃~220℃、保温24h。

步骤（3）中水热反应后，将烘干的物料在管式炉内进行热处理的处理条件是：采用氩气保护，反应温度900℃、保温3h。

本发明提供的锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，具有以下有益效果：

（1）    制备过程实现无氟化，避免环境污染；

（2）    材料具有多孔结构，可以对硅颗粒得体积效应进行自吸收；

（3）    材料比容量和循环稳定性得到了一定的提高；

（4）    合成工艺简单、易于操作、材料制备成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为所制备多孔硅负极材料的X-射线衍射图谱。

图2为放大1000倍时多孔硅负极材料的扫描电镜照片。

图3为放大4000倍时多孔硅负极材料的扫描电镜照片。

图4为通过高温热解硅化镁的方法制备的多孔硅负极材料和多孔硅/碳复合负极材料的充放电循环比容量曲线。

图5为通过高温热解硅化镁的方法制备的多孔硅负极材料和多孔硅/碳复合负极材料的充放电循环比效率曲线。

具体实施方式

本发明是通过将普通的微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，然后在高温下将硅化镁进行热解，形成镁蒸汽和具有三维多孔结构的硅粉。其原理如下：

利用硅、镁之间的化学反应，将过量镁粉与微米硅颗粒化合，充分反应形成硅化镁/镁的混合物。本发明所涉及的多孔硅及多孔硅/碳，其合成原料有：硅粉（纯度≥99%，300目）、镁粉（纯度≥95%，200目）、葡萄糖（分析纯）。

制备实施例：

（1）制备硅化镁

根据上述反应，参照镁与硅的化学计量比使镁粉过量20%，分别准确称取一定量的硅粉和镁粉。将原料倒入玛瑙研钵中，研磨混匀。然后将物料用耐陶瓷罐盛装好，放入管式炉内，制备硅化镁。反应条件为：500℃－650℃、氩气保护、保温8h。

（2）制备多孔硅负极材料

将上述得到的物料倒入玛瑙研钵内，再次研磨混匀。然后将物料用陶瓷罐盛装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，反应条件为500℃、真空、保温2h后继续升温，800℃~1100℃、真空，保温3h，从而得到多孔硅。反应完成后，对所得多孔硅粉进行稀盐酸酸洗，，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质。然后，将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，处理条件为1000℃、氩气保护、保温3h，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质。所得物料过300目筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料。

（3）制备多孔硅/碳复合负极材料

按照多孔硅、碳质量比为1:1，称取多孔硅粉材料和葡萄糖（C₆H₁₂O_6·H₂O）粉末。将两者倒入烧杯中，加入一定量的蒸馏水，磁力搅拌均匀。然后将溶液置于负压环境中3h以除去孔隙中的空气，以利于葡萄藤溶液进入孔隙中。磁力搅拌混匀后将溶液倒入水热釜中，180－220℃、保温24h进行水热反应。水热反应后，将烘干的物料在管式炉内进行热处理，处理条件：900℃、氩气保护、保温3h，随炉冷却后过300目筛即得到多孔硅/碳复合材料。

下面通过实施和比较例的描述，进一步阐述本发明的实质性特点和优势。为描述方便，首先对比较例加以叙述，然后再描述实施例1~4，以与之比较，显示出本发明的效果。

比较例1. 将纳米硅粉与乙炔黑和聚偏氟乙烯（PVDF）按3:1:1的质量比在N-甲基吡咯烷酮（NMP）介质中制成浆料，涂布于铜箔上，经过干燥、冲膜和压膜制成工作电极。以金属锂箔为对电极，Celgard聚丙烯膜为隔膜，1MLiPF₆/(PC+DMC) (1:1)为电解液，在0.15mA/cm²的电流密度下，0~1.5V的电压范围内进行充放电实验。首次嵌锂容量为3463.6mAh/g，脱锂容量为1115.0mAh/g，库仑效率为32.2％。第10次循环的嵌锂容量为372.2mAh/g，脱锂容量为347.1mAh/g，其容量保持率为31.13%，容量衰减较大。说明以纳米硅粉为活性物质，虽然能部分抑制硅颗粒的体积变化，但可逆容量衰减仍然很快。

实施例1. 按制备实施例方法制备锂离子电池三维多孔硅粉负极材料，制备时将硅化镁的分解温度设为800℃，其他条件均按制备实施例例的方案。将所得的多孔硅材料制备电极进行电化学测试。电极制备方法电池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为2883.3mAh/g，脱锂容量为1821.0mAh/g，库仑效率为63.2％。第10次的循环嵌锂容量为123.0mAh/g，脱锂容量为119.0mAh/g，其容量保持率为6.53%，容量衰减幅度大。较纯纳米硅电极材料，其电化学性能较差。该温度下，硅化镁分解不充分，硅的多孔结构不明显，经过酸洗后，得到的是散碎、体积较大的硅颗粒。在循环过程中，其体积变化较大，从而导致其电化学性能不佳。

实施例2. 按制备实施例方法制备锂离子电池三维多孔硅粉负极材料，制备时将硅化镁的分解温度设为900℃，其他条件均按制备实施例的方案。将所得的多孔硅材料制备电极进行电化学测试。电极制备方法电池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为2007.8mAh/g，脱锂容量为1185.0mAh/g，库仑效率为59.0％。第10次的循环嵌锂容量为529.6mAh/g，脱锂容量为507.8mAh/g，其容量保持率为42.85%。经过70次循环后，其嵌锂容量为211.7mAh/g，脱锂容量为214.0 mAh /g，其容量保持率为18.06%。较纯纳米硅电极材料，其循环性已有一定的改善。

实施例3. 按制备实施例方法制备锂离子电池三维多孔硅粉负极材料，制备时将硅化镁的分解温度设为1000℃，其他条件均按制备实施例的方案。将所得的多孔硅材料制备电极进行电化学测试。电极制备方法电池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为2184.1mAh/g，首次脱锂容量为1296.8mAh/g，库伦效率为59.4%。经历10次循环后，材料仍能稳定地释放出596.8mAh/g的可逆容量，容量保持率为46.02%。经过70次循环后，其嵌锂容量为261.0mAh/g，脱锂容量为258.2 mAh /g，其容量保持率为19.9%。较纯纳米硅电极材料，其电化学性能有了较大的改善。

实施例4. 按制备实施例方法制备锂离子电池三维多孔硅粉负极材料，制备时将硅化镁的分解温度设为1100℃，其他条件均按制备实施例的方案将所得的多孔硅材料制备电极进行电化学测试。电极制备方法电池组装及测试条件均同对比例1。材料首次嵌锂容量为2087.3mAh/g，首次脱锂容量为1233.6mAh/g，库伦效率为59.1%。经历10次循环后，材料仍能稳定地释放出556.7mAh/g的可逆容量，容量保持率为45.13%。经过70次循环后，其嵌锂容量为233.6mAh/g，脱锂容量为230.8 mAh /g，其容量保持率为18.71%。过高的处理温度，可能会导致部分硅的多孔结构坍塌，使其电化学性能有所降低。但较纯纳米硅电极材料，其电化学性能仍有所改善。

Claims (1)

1.一种锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）制备硅化镁

微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，取一定量的硅粉和镁粉，根据硅、镁反应的化学量使镁粉过量20%，将原料研磨混匀后用容器装好，放入管式炉内，制备硅化镁；

（2）制备多孔硅负极材料

将步骤（1）得到的物料再次研磨混匀，用容器装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，从而得到多孔硅；反应完成后，对所得多孔硅粉用盐酸进行酸洗，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质；将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质；所得物料过筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料；

（3）制备多孔硅/碳复合负极材料

按照多孔硅、碳质量比为1:1，取步骤（2）得到的多孔硅粉材料粉和葡萄糖（C₆H₁₂O_6·H₂O）粉末，加入蒸馏水搅拌均匀，然后将溶液置于负压环境中以除去孔隙中的空气，搅拌混匀后将溶液倒入水热釜中，进行水热反应，水热反应后，将烘干的物料在管式炉内进行热处理，随炉冷却后过筛即得到多孔硅/碳复合材料；

步骤（1）中硅粉和镁粉反应中温度控制在500℃－650℃之间，反应过程中采用惰性气体保护，并保温8小时；

步骤（1）得到的物料再次研磨混匀，用容器装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，反应条件：500℃、真空、保温2h，继续升温至800℃~1100℃、真空、保温3h，从而得到多孔硅；反应完成后，对所得多孔硅粉用盐酸进行酸洗，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质；将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，处理条件：1000℃、氩气保护、保温3h，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质；所得物料过筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料；

步骤（3）中的水热反应条件是：180℃~220℃、保温24h；

步骤（3）中水热反应后，将烘干的物料在管式炉内进行热处理的处理条件是：采用氩气保护，反应温度900℃、保温3h。

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