CN103531761A - 一种纳米硅的制备方法 - Google Patents

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陈鑫
刘念平
张燕萍
赵志国
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Abstract

本发明涉及一种纳米硅的制备方法，将粒径为1～20微米的硅粉按照固含量为5～50%的比例加入到分散剂中，高速分散均匀后，加入到循环式研磨机中，在温度为10～60℃的情况下，研磨4～20小时，即得到纳米硅。所述的分散剂为下列之一或两种以上任意比混合物：水、乙醇、丙酮、环己烷、丁酮、丁醇、乙二醇。所述的循环式研磨机，研磨介质为下列之一：硅酸锆珠、氧化锆珠、氧化铝珠；研磨介质的粒径为0.1～0.5mm。本发明具有生产工艺简单，生产成本低等优点；制备的纳米硅纯度高，粒径均匀，稳定性好，可用于金属表面处理或者替代纳米碳粉或石墨，作为锂电池负极材料，大幅度提高锂电池容量。

Description

一种纳米硅的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米硅的制备方法，属于新能源纳米材料制备技术领域。
背景技术
随着人们日益增长的需求和科学技术发展的需要，对锂离子二次电池的容量和循环性提出了更高的要求，在许多储能装置应用方面对功率密度的要求越来越高，特别是大容量、高功率的超级电容器、动力型锂离子电池将成为今后环保型电动汽车、海陆空军事装备和军事通讯的理想电源。因此，开发具有高容量和循环性能好的电极材料是研制高性能锂离子二次电池的首要任务。与已商品化使用的负极炭材料如石墨、中间相炭微球、石油焦等相比，Si与Li形成的合金均具有远高于石墨理论值372mAh／g的储锂容量(Si-Li合金为4200mAh／g)，作为锂离子二次电池负极材料已成为目前国际上的研究热点。但是，这种材料实际应用中还存在许多问题，其主要原因是Si在Li的嵌入和脱出过程中发生较大的体积变化(膨胀率达300％)，在材料内部产生较大的内应力，造成粉末化而导致电极循环性能严重衰退。
目前解决这个问题采取的主要手段是将这些材料的尺寸裁减到纳米尺寸，通过降低体积效应来缩短充放电过程中离子的扩散路径而缓减体积膨胀。纳米硅粉的制备方法有很多，主要有化学气相沉积,激光烧蚀法，物理蒸发法、溶液法等，但这些方法制备纳米硅成本比较高，生产量比较小，同时制备出来的纳米硅稳定性和粒径均一性差。
发明内容
本发明公开了一种纳米硅的制备方法，这种制备方法采用原材料便宜易得，生产工艺简单，成本低，同时制备的纳米硅粒径均匀，稳定性好，可以有效克服采用现有技术制备纳米硅成本高，生产量小，同时制备出来的纳米硅稳定性和粒径均一性差等弊端。
本发明技术方案是这样实现的：
一种纳米硅的制备方法，首先将粒径为1～20微米的硅粉按照固含量为5～50%的比例加入到分散剂中，高速分散均匀后，加入到自制循环式研磨机中，在温度为10～60℃的情况下，研磨4～20小时，即得到纳米硅。
所述的分散剂为下列之一或两种以上任意比混合物：水、乙醇、丙酮、环己烷、丁酮、丁醇、乙二醇。
所述的自制循环式研磨机包括:搅拌设备、蠕动泵、带有冷却夹套的循环研磨机和冷却设备，带有冷却夹套的循环研磨机的腔体内设置有内衬、研磨轴和研磨介质，其特征在于：所述研磨机腔体内衬材料为下列之一：碳化硅、聚氨酯（PU）、氧化锆陶瓷；所述的研磨介质为下列之一：硅酸锆珠、氧化锆珠、氧化铝珠、碳化硅珠；研磨介质的粒径为0.1～0.5mm。
利用本发明制备的纳米硅具有纯度高，粒径均匀，稳定性好，同时生产工艺简单，生产成本低等优点。通过这种方法制备的纳米硅可以用于金属表面处理或者替代纳米碳粉或石墨，作为锂电池负极材料，大幅度提高锂电池容量。
附图说明
图1是循环式研磨机示意图；
图2是纳米硅的TEM图；
图3是纳米硅的XRD图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，
图1是循环式研磨机示意图，将物料通过蠕动泵输送至循环式研磨机腔体中，通过研磨后将更细的物料输出至搅拌容器中，通过循环将物料研磨至需要的粒径。研磨设备中关键的部分为研磨腔体中的研磨轴，高速旋转的研磨轴通过棒击式将物料粉碎。
【实施例1】
纳米硅制备方法，本实施中是用粒径为10微米的硅粉，加入到水和丙酮按照质量比50比50配制的混合分散剂中，配制成固含量为20%的混合液，然后加入到循环式研磨机中，研磨腔内衬为聚氨酯，研磨介质为粒径0.5mm的氧化锆球，研磨时间20h，研磨最高温度50℃。得到粒径约为30nm的纳米硅。
【实施例2】
纳米硅制备方法，本实施中是用粒径为5微米的硅粉，加入到乙醇和丙酮按照质量比70比30配制的混合分散剂中，配制成固含量为30%的混合液，然后加入到循环式研磨机中，研磨腔内衬为氧化锆陶瓷，研磨介质为粒径0.1mm的氧化铝球，研磨时间15h，研磨最高温度50℃。得到粒径约为30nm的纳米硅。
【实施例3】
纳米硅制备方法，本实施中是用粒径为10微米的硅粉，加入到无水乙醇分散剂中，配制成固含量为30%的混合液，然后加入到循环式研磨机中，研磨腔内衬为碳化硅材质，研磨介质为粒径0.1mm的硅酸锆球，研磨时间15h，研磨最高温度50℃。得到粒径为35nm的纳米硅。
【实施例4】
纳米硅制备方法，本实施中是用粒径为5微米的硅粉，加入到乙醇和乙二醇按照质量比70比30配制的混合分散剂中，配制成固含量为40%的混合液，然后加入到循环式研磨机中，研磨介质为粒径0.2mm的碳化硅球，研磨时间10h，研磨最高温度50℃。得到粒径约为30nm的纳米硅。
从图2TEM图分析，纳米硅粒径比较均匀，直径约30nm；同时从图3XRD图谱分析，这种纳米结构材料为硅。

Claims (3)

1.一种纳米硅的制备方法，其特征在于：将粒径为1～20微米的硅粉按照固含量为5～50%的比例加入到分散剂中，高速分散均匀后，加入到循环式研磨机中，在温度为10～60℃的情况下，研磨4～20小时，即得到纳米硅。
2.根据权利要求1所述的一种纳米硅的制备方法，其特征在于：所述的分散剂为下列之一或两种以上任意比混合物：水、乙醇、丙酮、环己烷、丁酮、丁醇、乙二醇。
3.根据权利要求1所述的一种纳米硅的制备方法，所述的循环式研磨机包括:搅拌设备、蠕动泵、带有冷却夹套的循环研磨机和冷却设备，带有冷却夹套的循环研磨机的腔体内设置内衬、研磨轴和研磨介质，其特征在于：所述研磨机腔体内衬材料为下列之一：碳化硅、聚氨酯（PU）、氧化锆陶瓷；所述的研磨介质为下列之一：硅酸锆珠、氧化锆珠、氧化铝珠、碳化硅珠；研磨介质的粒径为0.1～0.5mm。
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