CN102790206A - 一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,涉及一种纳米级硅材料。提供一种工艺简单、原料便宜、易于生产和工业化、粒径大小可控、粒径范围可控的用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法。将硅粉分散到溶剂中,得到悬浊液;将悬浊液进行第一步离心,取上层浊液,下层固体大颗粒硅可机械粉碎,循环再利用;将上层浊液进行第二步离心,取下层固体,干燥后,即得纳米级硅材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米级硅材料,尤其是涉及一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,该纳米级硅材料的平均粒径为50~500nm。
背景技术
锂离子电池已广泛应用于手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备,具有重要的商业价值,更有望成为近年来兴起的电动车和混合动力车的能源。目前商品化锂离子电池的正极材料以氧化物正极材料如LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等为主。负极材料是石墨以及以石墨为前躯体的各种碳材料,虽然具有良好的可逆充放电性能,但是碳材料的理论容量较低(372mAh/g),高倍率充放电性能较差。当电池过充电时,碳表面易形成枝晶锂,引起短路,产生安全隐患。由于碳材料已经很难满足当今电子信息、能源技术飞速发展的需要,因此开发新型且可靠的高容量的锂离子电池负极材料成为高性能锂离子电池发展的技术瓶颈。近年来的研究集中在锡基材料、锑基材料和硅基材料等。硅可作为锂离子电池的负极材料,以其高的质量比容量(4200mAh/g)和材料丰富、价格低廉等优点越来越受到重视。但是硅材料在嵌脱锂过程中存在很大的体积变化,导致电极容量损失快,循环性能差,不能商业化。纳米尺度的硅材料可望解决这一问题。目前,纳米级硅的制备方法主要有高能球磨法、物理气相沉积法、化学气相沉积法等。高能球磨法是将硅微粒在高能球磨机中球磨得到纳米级硅,这种方法仪器昂贵,制备的纳米Si其粒径分布宽,易发生团聚。物理气相沉积法制备纳米粉体材料的基本原理是在低压下,利用各种热能转换方式将原料蒸发形成纳米级颗粒的气相粒子,在收集器上冷凝而得,虽然能得到质量高的纳米级硅材料,但是其制备环境苛刻,成本非常高,并且硅的熔点高,生产过程能耗高。化学气相沉积法是几种气相物质在高温下通过化学反应生成固态物质并沉积在基体上,从而可制得纳米薄膜或粉体,其反应速率受到各种反应条件的影响,难控制,易发生粉体团聚,导致粒径分布范围宽,并且未完全反应的物质会污染产物。激光诱导化学气相沉积法的基本原理是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收,引起反应气体分子激光诱导化学合成反应,在一定工艺条件下(激光功率密度、反应池压力、反应温度、反应气体配比和流速)获得纳米粒子空间成核和生长。虽然其可以得到粒径均匀的纳米级硅颗粒,但是其受到众多的反应条件影响,对反应条件要求高,并且激光技术价格昂贵,增加生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、原料便宜、易于生产和工业化、粒径大小可控、粒径范围可控的用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法。
所述纳米级硅材料的平均粒径为50~500nm。
本发明包括以下步骤:
1)将硅粉分散到溶剂中,得到悬浊液;
2)将步骤1)得到的悬浊液进行第一步离心,取上层浊液,下层固体大颗粒硅可机械粉碎,循环再利用;
3)将步骤2)得到的上层浊液进行第二步离心,取下层固体,干燥后,即得纳米级硅材料。
在步骤1)中,所述硅粉的粒径小于50μm、纯度大于50%;所述溶剂可选自水、乙醇或水与乙醇的混合物;所述硅粉与溶剂的配比可为1g∶(5~100)ml,其中硅粉以质量计算,溶剂以体积计算。
在步骤2)中,所述第一步离心的转速可为2000~6000r/min。
在步骤3)中,所述第二步离心的转速可为3000~10000r/min。
其中第一步离心决定纳米级硅材料的最大粒径,第二步离心决定纳米级硅材料的最小粒径,通过控制第一步离心和第二步离心的转速可以控制粒径大小及粒径范围,从而制备出粒径可控,粒径范围可控的纳米级硅材料。
本发明与现有的其它制备纳米级硅的方法相比较,其优点有:原料便宜,设备要求简单,制备成本低;易于操作控制,易于工业化生产;可以通控制第一步离心和第二步离心的转速来控制纳米级硅的粒径大小及粒径范围。因此本发明所述纳米级硅材料具有较高的性价比和较好的市场潜力。
以下给出将本发明所述纳米级硅材料用于制备锂离子电池的方法:
1)将粘结剂放于称量瓶,在称量瓶中加入去离子水,搅拌溶解;
2)将纳米级硅和乙炔黑研磨均匀,加入称量瓶,搅拌10h,混合均匀;
3)将铜箔压成直径为1.6cm的圆片,然后在10MPa压力下粗糙,依次用10%的盐酸、去离子水、丙酮清洗,真空干燥,将调好的浆液涂抹到处理好的铜箔上,真空80℃干燥12h;
4)将干燥的极片移到手套箱中,以锂片作为正极,组装扣式电池,电解液用1M LiPF6为导电盐的EC/DMC/EMC溶液,并加入质量分数为2%的VC作为添加剂,将组装的电池封口,静止10h,得组装好的锂离子电池。
所述粘结剂可采用海藻酸钠和羰甲基纤维素钠聚合物。
所述纳米级硅、乙炔黑和粘结剂的质量比可为8∶1∶1或3∶1∶1。
将组装好的电池在充放电测试仪上恒流测试电化学性能。其中充放电流速率为100mA/g,电压范围在0.01~2.0V。
针对上述方法,本发明是提供一种利用分步离心分离得到粒径大小可控、粒径分布可控的硅纳米粒子的方法。所使用的设备便宜,原料价格低廉,生产成本低;制备过程不受外界影响,易于控制,可工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制备的纳米级硅的低倍扫描电镜图(SEM)。在图1中,标尺为2μm;图中显示大量纳米级硅颗粒。
图2为实施例1制备的纳米级硅的高倍扫描电镜图(SEM)。在图2中,标尺为100nm;图中显示纳米级硅颗粒,其中大部分纳米级硅粒子的粒径约为200nm,粒径分布较集中。
图3为实施例1制备的纳米级硅的X-射线衍射图(XRD)。在图3中,横坐标为衍射角2Theta(°);图中显示宽化的硅的衍射峰,没有其他杂质峰。
图4为实施例7组装的电池的循环性能曲线图。在图4中,横坐标为循环次数,左纵坐标为容量/mAh/g,右纵坐标为效率/%;标记□为充电,●为放电。
具体实施方式
实施例1
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。图1和图2显示硅的平均粒径在200nm左右,粒径范围较集中。图3中只有宽化的硅的衍射峰,没有其他杂质峰,说明制备的纳米级硅纯度高。表1为实施例1制备的纳米级硅通过电子能谱(EDX)分析得到的元素含量表,其中氧来自纳米级硅表面的轻微氧化层,碳和铜来自碳膜和铜网。表1中数据显示制备的纳米级硅纯度较高,只有极轻微的氧化。EDX显示,只有硅、碳、氧、铜的峰,其中氧来自纳米级硅表面的轻微氧化层,碳和铜来自碳膜和铜网。
表1
元素 | 质量比 | 原子比 |
硅 | 72.11 | 75.02 |
氧 | 3.49 | 6.37 |
碳 | 3.75 | 9.12 |
铜 | 20.65 | 9.49 |
实施例2
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇和水的混合液中(体积比=1∶1)得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。其中硅的粒径在200nm左右,粒径范围较窄,和实施例1制备的纳米级硅基本相同。
实施例3
将块状硅粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL水中得悬浊液,将悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。其中硅的粒径在200nm左右,粒径范围较窄,与实施例1制备的纳米级硅相同。
实施例4
将块状硅粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨30h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在6000r/min的转速下离心3min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在10000r/min的转速下离心30min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即得到纳米级硅。其中硅的粒径在50nm左右。
实施例5
将块状硅粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心3min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在3000r/min的转速下离心10min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即得到纳米级硅。其中硅的粒径在500nm左右。
实施例6
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在5000r/min的转速下离心30min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。所得的纳米级硅粒径大约300nm。
实施例7
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在8000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。其中硅的粒径在250nm左右,粒径范围比实施例1制备的纳米级硅粒径更窄。实施例7组装的电池的循环性能曲线图参见图4,图中显示较好的循环性能和较高的容量。首圈放电容量为2700mAh/g,首次库伦效率较高(78%);55周充放电循环后,放电容量保持为1500mAh/g左右,这是目前商业化锂离子电池石墨负极理论容量的4.1倍。
实施例8
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取14g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在3000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。其中硅的粒径在100nm左右。
实施例9
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取5g球磨的硅微粒分散到500mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。所得的纳米级硅粒径大约200nm。
实施例10
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取10g球磨的硅微粒分散到50mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。所得纳米级硅和实施例1基本相同,但是有少量大颗粒硅夹杂在纳米级硅中。
实施例11
将块状硅机械粉碎,利用行星球磨机在500r/min的转速下球磨15h,得到硅微粒。取10g球磨的硅微粒分散到750mL乙醇中得到悬浊液,将上述悬浊液在2000r/min的转速下离心10min,离心得到的下层硅粒子回收再利用;将离心后的上层浊液移到烧杯中,用新的离心管将上述上层浊液在9000r/min的转速下离心20min,将得到的下层固体材料在真空干燥箱中烘干即为纳米级硅。得到的纳米级硅同实施例1基本相同。
实施例12
称量0.040g海藻酸钠放于称量瓶,量取1.6mL的去离子水加入称量瓶,搅拌溶解。称量实施例1中制备的纳米级硅0.075g和乙炔黑0.025g,研磨均匀,加入称量瓶,搅拌10h。将铜箔压成直径为1.6cm的圆片,然后在10MPa压力下粗糙,依次用10%的盐酸、去离子水、丙酮清洗,真空60℃干燥12h,称量重量,记为重量1。将和好的浆液均匀的涂抹到处理好的铜箔上,真空80℃干燥12h,称量重量,记为重量2。重量2减重量1得到涂层的重量,记为重量3。将干燥的极片移到手套箱中,以锂片作为正极,组装2025扣式电池。其中电解液为1M LiPF6为导电盐的EC/DMC/EMC(1∶1∶1v/v)溶液,并加入质量分数为2%的VC作为添加剂。将组装的电池封口,静止10h。将静止好的电池在充放电测试仪上恒流测试电化学性能。其中电流为100mA/g*重量3*55%,电压范围在0.01~2.0V。所制备的纳米级硅作为锂离子电池负极材料有较好的循环性能和较高的容量。首圈放电容量为2700mAh/g,首次库伦效率较高(78%);55周充放电循环后,放电容量保持为1500mAh/g左右,这是目前商业化锂离子电池石墨负极理论容量的4.1倍。
Claims (9)
1.一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将硅粉分散到溶剂中,得到悬浊液;
2)将步骤1)得到的悬浊液进行第一步离心,取上层浊液,下层固体大颗粒硅可机械粉碎,循环再利用;
3)将步骤2)得到的上层浊液进行第二步离心,取下层固体,干燥后,即得纳米级硅材料。
2.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述硅粉的粒径小于50μm、纯度大于50%。
3.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述溶剂选自水、乙醇或水与乙醇的混合物。
4.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述硅粉与溶剂的配比为1g∶(5~100)ml,其中硅粉以质量计算,溶剂以体积计算。
5.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于在步骤2)中,所述第一步离心的转速为2000~6000r/min。
6.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池负极材料的纳米级硅材料的制备方法,其特征在于在步骤3)中,所述第二步离心的转速为3000~10000r/min。
7.如权利要求1~6任一方法所制备的纳米级硅材料制备锂离子电池的方法,其特征在于包括以下步骤:
1)将粘结剂放于称量瓶,在称量瓶中加入去离子水,搅拌溶解;
2)将纳米级硅和乙炔黑研磨均匀,加入称量瓶,搅拌10h,混合均匀;
3)将铜箔压成直径为1.6cm的圆片,然后在10MPa压力下粗糙,依次用10%的盐酸、去离子水、丙酮清洗,真空干燥,将调好的浆液涂抹到处理好的铜箔上,真空80℃干燥12h;
4)将干燥的极片移到手套箱中,以锂片作为正极,组装扣式电池,电解液用1M LiPF6为导电盐的EC/DMC/EMC溶液,并加入质量分数为2%的VC作为添加剂,将组装的电池封口,静止10h,得组装好的锂离子电池。
8.如权利要求7所述方法,其特征在于所述粘结剂采用海藻酸钠和羰甲基纤维素钠聚合物。
9.如权利要求7所述方法,其特征在于所述纳米级硅、乙炔黑和粘结剂的质量比为8∶1∶1或3∶1∶1。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121121 |