CN103848425A - 含硅材料的制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池负极元件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含硅材料的制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池负极元件的制备方法，其含硅材料的制备方法包括：使用一线切割组件切割一硅基材，以获得混合浆料；以固液分离法分离该混合浆料，以获得一固态混合物；粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料，以制得本发明的含硅材料。据此，本发明提供一种适用于大量生产含硅材料的制备方法，其能大幅降低用于锂离子电池的含硅材料的制备成本，并且同时改善硅受热而膨胀的问题，进而提高锂离子电池的循环稳定性与电性质量。

Description

含硅材料的制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池负极元件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种含硅材料的制备方法及其应用，尤指一种线切割硅材制得锂离子电池负极材料用的含硅材料的方法。

背景技术

锂离子电池由于具备低电极电位、高循环效率及循环寿命长等优点，已被广泛地应用于移动电话或笔记本型计算机等高科技产品及电动汽机车中。

传统锂离子电池负极材料多半为碳系材料，例如：天然石墨、人工石墨和介相沥青碳等。使用碳系材料作为锂离子电池负极材料虽具有良好的安全性，但其理论电容值仅约372mAh/g，已无法符合现今高科技产品或长距离环保电动汽机车对高电容量的配备需求。

因此，为了顺应高电容量的使用需求，转而开发以硅作为锂离子电池负极材料的主要成分，借以将锂离子电池的理论电容值提高至约4400mAh/g。

然而，使用硅作为锂离子电池负极材料仍有几项需克服的问题：(1)锂离子与硅形成锂合金相时，密度变小，致使硅在充/放电过程中体积膨胀为原有体积的300%至400%，此剧烈的体积膨胀易造成负极电极板崩裂，进而缩短锂离子电池的循环使用寿命；(2)高电容量的锂离子电池在充/放电过程中容易产生大量的热，反而劣化锂离子电池的循环稳定性与电性质量。

为了克服前述问题，必需使用微细化的硅作为锂离子电池的负极材料，以避免硅因膨胀造成电极极板崩裂而降低锂离子电池的电容量和循环使用寿命的问题；此外，亦可于锂离子电池负极材料中添加非活性材料(inactive materials)，使其具备导热或传热能力，借以提升锂离子电池的循环稳定性与电性质量。

然而，无论是利用化学气相沉积法制备硅薄膜，或是以高能球磨法或化学合成法制备纳米硅颗粒，皆有成本过高而无法量产等问题，致使含硅材料至今仍迟迟无法取代碳系材料，广泛地适用于制造锂离子电池的负极材料。

因此，目前亟需发展一种可以量产供用于制造锂离子电池电极的含硅材料的方法，以提升含硅材料在锂离子电池中的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含硅材料的制备方法、锂离子电池负极材料及锂离子电池负极元件的制备方法，使其所制得的含硅材料可同时兼具微细化与可使用作为非活性材料的特性，故其特别适合用于制作锂离子电池负极元件。

为实现前述目的，本发明提供一种含硅材料的制备方法，其包含下列步骤：

提供一线切割组件，该线切割组件包括一切割线及施用于该切割线的一切割浆料，其中该切割浆料含有一切割液及分散于该切割液中的多个研磨颗粒，且该研磨颗粒的粒径介于1微米至50微米之间；

使用该线切割组件切割一硅基材，以获得一混合浆料；

使用固液分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物，其中该固态混合物含有硅与切割线的材料及研磨颗粒的材料；以及

粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

据此，本发明提供一种工艺简易又能大量生产含硅材料的方法，其先利用线切割组件切割一硅基材获得大量预定粒径范围的含硅细屑，再经由适当的纯化步骤去除不想要的杂质，借以令所制得的含硅材料主要由硅与研磨颗粒所组成，而适合用于作为锂离子电池负极材料。据此，依据本发明的制备方法，可大量制造适用于锂离子电池负极元件的含硅材料，进而大幅降低锂离子电池负极元件的制备成本与工艺复杂性。

依据本发明，切割浆料以均匀地被喷洒在切割线的方式施用，借以使切割浆料均匀分布于该切割线的外围。当使用一线切割组件切割一硅基材时，高速移动的切割线将带动分布于其上的切割浆料，进而使切割浆料中的多个研磨颗粒与硅基材产生相对研磨运动，借以自线切割过程中获得大量的含硅细屑。

依据本发明，所述的“混合浆料”包括使用线切割组件切割硅基材所产生的混合物，其包括自硅基材掉落的含硅细屑、所选用的切割线的材料和所选用的研磨颗粒的材料、所选用的切割液或其混合物。

依据本发明，所选用的切割线的材料包含铁、铜、镍及其合金或其组合。

其中，依据本发明，所选用的研磨颗粒的材料选自于下列所组成的群组：钻石、类钻碳、碳化硅、碳化硼、氮化硼、氮化铝、二氧化锆及其组合。所述的研磨颗粒可作为锂离子电池负极材料中的非活性材料，借以使所制得的含硅材料具备导热或传热能力。较佳的，可选用的研磨颗粒例如：碳化硅、钻石、或氮化硼，借以使混合浆料可包含有硅及前述研磨颗粒或其碎片，进而提升本发明的含硅材料应用于锂离子电池的散热效果。

其中，依据本发明，该切割浆料的切割液包含具有一定黏度的油性切割液、水溶性切割液或合成切割液。

其中，该油性切割液包含矿物油；水溶性切割液可包含矿物油、乳化剂、防腐剂、防锈剂、消泡剂或其组合；

其中，合成切割液包含：乙二醇(ethylene glycol，EG)、丙二醇(propyleneglycol，PG)、聚烷基二醇醚(polyalkylene glycol，PAG)、聚乙二醇(polyethyleneglycol，PEG)、二乙二醇(diethylene glycol，DEG)、三乙二醇(triethylene glycol，TEG)或其组合。

依据本发明，所述的硅基材包括单晶硅基材、多晶硅基材或非晶硅基材。依据本发明，前述的硅基材的型式可为硅棒、硅碇、硅块，但并非仅限于此。依据本发明，硅基材更可进一步掺杂有一掺杂成份，该掺杂成份选自下列所组成的群组：硼、磷、砷、锑、铝、锗、铟及其组合。较佳的，添加成份占整体硅基材的0.1至0.0001重量百分比。较佳的，添加成份占整体硅基材的10¹³原子/立方厘米至10¹⁵原子/立方厘米。

较佳的，研磨颗粒的粒径大约介于2微米至50微米之间；该研磨颗粒的重量和相对于硅基材的重量的比值介于0.05至2.00之间。

其中，较佳的，切割线的线径介于80微米至500微米之间；更佳的，切割线的线径介于80微米至200微米之间。据此，本发明可借由选用适当粒径大小的研磨颗粒及/或切割线的线径，获得微细化的含硅材料，使其得以应用于锂离子电池中。

其中，较佳的，所述的含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。于此，所述的含硅材料的粒径范围为尚未发生团聚现象前的一次粒径与发生团聚现象后的二次粒径范围。

依据本发明，当使用含有粒径介于1微米至50微米的研磨颗粒的线切割组件切割硅基材时，在尚未移除该固态混合物中的切割线的材料及粒径分选步骤前，混合浆料中主要含有粒径大约介于5纳米至50微米之间的硅和研磨颗粒的材料。

其中，较佳的，于本发明含硅材料的制备方法中，该固液分离法包括：离心分离法、压滤分离法、沉降分离法、膜过滤法或倾析分离法。

其中，较佳的，本发明含硅材料的制备方法包括使用磁选法移除该固态混合物中切割线的材料，该切割线的材料为铁、镍或其组合，进而提高所制得的含硅材料的纯度。

其中，较佳的，本发明含硅材料的制备方法亦包括使用酸溶法移除该固态混合物中的切割线的材料，该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合。

其中，包括使用如硫酸、盐酸、硝酸或其组合的酸性溶液酸溶该固态混合物中的切割线的材料及其氧化物，并将其加以移除。于此，本发明可利用酸溶法移除铜、铁、镍或其组合。

依据本发明，上述两种移除固态混合物中切割线的材料的方法可单独使用或合并使用，且其合并使用时的先后顺序并无特殊限制。

其中，较佳的，于本发明含硅材料的制备方法中，粒径分选该固态混合物可包括使用干式粒径分选法或湿式粒径分选法粒径分选该固态混合物，或两种粒径分选法合并使用，以获得具有特定粒径大小及包含特定含量比例的硅与研磨颗粒的含硅材料。

其中，所述的干式粒径分选法包括筛网分选法、气流分选法、风力分选法或其组合。其中，该风力分选法包括风力正压分选法、风力负压分选法及风力正负压结合分选法。

其中，较佳的，所述的气流分选法的转速介于1500至3600rpm，借以令所制得的含硅材料中包含有介于40至99重量百分比之间的硅与1至60重量百分比之间的研磨颗粒的材料。

其中，所述的湿式粒径分选法包括水力旋流分选法、浮选法或其组合。其中，该浮选法包括机械搅拌式浮选法、充气式浮选法、混合式浮选法或充气搅拌式浮选法、气体析出式浮选法。

其中，较佳的，所述的水力旋流分选法的操作压力介于0.10至1.00兆帕(MPa)，借以令所制得的含硅材料中包含有介于40至99重量百分比之间的硅与1至60重量百分比之间的研磨颗粒的材料。

其中，依据本发明，粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤包括：粒径分选该固态混合物，以获得一第一纯化混合物；以及移除该第一纯化混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

其中，于本发明的具体实施例中，该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合。较佳的，前述移除该第一纯化混合物中的切割线的材料以制得该含硅材料的步骤包括：先使用磁选法移除该第一纯化混合物中的铁、镍或其组合，再使用酸溶法移除该第一纯化混合物中的铜、铁、镍或其组合，以制得该含硅材料；或者，也可先使用酸溶法移除该第一纯化混合物中的铜、铁、镍或其组合，再使用磁选法移除该第一纯化混合物中的铁、镍或其组合。

其中，更佳的，粒径分选该固态混合物以获得该第一纯化混合物的步骤包括：粒径分选该固态混合物，以获得一分选后混合物；以及水洗该分选后混合物，以获得该第一纯化混合物，再移除经过水洗步骤的第一纯化混合物中的切割线的材料。

其中，依据本发明，粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤包括：移除该固态混合物中的切割线的材料，以获得一第二纯化混合物；以及粒径分选该第二纯化混合物，以制得该含硅材料。

其中，该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合，较佳的，前述移除该固态混合物中的切割线的材料以获得该第二纯化混合物的步骤包括：先使用磁选法移除该固态混合物中的铁、镍或其组合，再使用酸溶法移除该固态混合物中的铜、铁、镍或其组合；或者，亦可先使用酸溶法移除该固态混合物中的铜、铁、镍或其组合，再使用磁选法移除该固态混合物中的铁、镍或其组合。

其中，更佳的，移除该固态混合物中的切割线的材料以获得该第二纯化混合物的步骤包括：移除该固态混合物中的切割线的材料，以获得一处理后混合物；水洗该处理后混合物，以获得该第二纯化混合物，再粒径分选经过水洗步骤的第二纯化混合物。

其中，较佳的，本发明含硅材料的制备方法包括使用一水性溶剂水洗混合浆料、固态混合物、第一纯化混合物及/或第二纯化混合物。更详细而言，于使用固液分离法分离该混合浆料的步骤之前，本发明的制备方法可包括水洗该混合浆料，再使用固液分离法分离该水洗后混合浆料；或者，于粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤之前，本发明的制备方法包括水洗该固态混合物，再粒径分选水洗后固态混合物与移除水洗后固态混合物中的切割线的材料。于此，先经过水洗步骤后再进行后续粒径分选步骤，可具有提升分选效率的优点。依据本发明，所述的水性溶剂可为纯水、含水溶液、纯化前述液态混合物所收集的溶液或其混合溶液。

依据本发明，所述的固液分离法及/或水洗步骤能有效去除存在于混合浆料中的切割液、添加剂及/或悬浮剂，以避免上述成份不当附着于所制得的含硅材料中硅的表面，而劣化其应用于锂离子电池的质量与效能。

依据本发明，所述的切割液可为前述的油性切割液、水溶性切割液或合成切割液；所述的添加剂例如：六偏磷酸钠、乙二胺四乙酸；所述的悬浮剂例如：三乙醇胺、十二烷胺或十二烷基磺酸钠。

其中，较佳的，本发明含硅材料的制备方法包括干燥该含硅材料，以获得粉末状的含硅材料。据此，所述的干燥步骤可协助进一步去除附着于含硅材料中硅的表面的矿物油、合成油、添加剂及/或悬浮剂，进而提升本发明含硅材料应用于锂离子电池的质量。

其中，较佳的，所述的粉末状的含硅材料的粒径等于或小于约15微米；更佳大约介于5纳米至15微米之间；再更佳大约介于5纳米至2微米之间。

依据本发明，经由前述制备方法所制得的含硅材料中硅的纯度高于40%以上。于此，所述的含硅材料以硅及研磨颗粒的材料为主要成份。

本发明另提供一种锂离子电池负极材料，其包括如前述制备方法所制得的含硅材料。

其中，该含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。

其中，该含硅材料的粒径介于5纳米至2微米之间。

较佳的，所述的含硅材料要由硅所组成，但仍包含有微量的切割线、和部分研磨颗粒或其组合。其中，以整体含硅材料的总重量为基准，该线切割的材料及/或研磨颗粒的材料的总含量低于60重量百分比以下。较佳的，以整体含硅材料的总重量为基准，该研磨颗粒的材料的含量介于10至40重量百分比之间。

更佳的，该含硅材料可掺杂有部分研磨颗粒的材料，以改善含硅材料在充/放电过程中受热膨胀的问题，进而提升包含有本发明负极材料的锂离子电池的循环稳定性与电性质量。

较佳的，该锂离子电池负极材料更进一步包含一含碳材料及一黏结剂。其中，所述的含碳材料可为导电石墨(购自瑞士特密高，型号为SFG-6、SFG-15、KS-6、KS-15)、导电碳黑，包含：乙炔黑、Ensaco 350G(购自瑞士特密高)、气相成长纳米碳纤维(vapor grown carbon nanofiber,VGCF)、纳米碳管(carbonnanotubes,CNTs)、科琴黑(购自日本Lion公司，型号为Ketjenblack EC300J、Ketjenblack EC600JD、Carbon ECP、Carbon ECP600JD、SUPER-P)或其组合，所述的黏结剂可为聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)、N-甲基-吡咯烷酮(N-methylpyrrolidone，NMP)、羧甲基纤维素钠(carboxymethyl cellulosesodium，CMC)、丁苯橡胶(styrene-butadiene rubber，SBR)、聚酰亚胺(polyimide)或其混合。

本发明又提供一种锂离子电池负极元件的制备方法，其包括：

齐备一种如前述制备方法所制得的含硅材料；

将含硅材料与一含碳材料混合，以获得一锂离子电池负极浆料；以及

将该锂离子电池负极浆料形成于金属箔上，待其干燥后制得锂离子电池负极元件。

其中，较佳的，齐备一种如前述制备方法所制得的含硅材料的步骤包括：提供一线切割组件，该线切割组件包括一切割线及施用于该切割线的一切割浆料，其中该切割浆料含有一切割液及分散于该切割液中的多个研磨颗粒，且该研磨颗粒的粒径介于1微米至50微米之间；使用该线切割组件切割一硅基材，以获得一混合浆料；使用固液分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物，其中该固态混合物含有硅、研磨颗粒的材料及切割线的材料；以及粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

有鉴于化学气相沉积法、高能球磨法或化学合成法具有高制备成本或质量不稳定等缺点，本发明提供一种可供大量制造含硅材料的方法，所制得的含硅材料可同时兼具微细化与可使用作为非活性材料的特性，故其特别适合用于制备锂离子电池负极元件。

此外，本发明另提供一种含硅材料的应用，其包括将前述制备方法所获得的含硅材料应用于锂离子电池负极元件中，借以有效降低锂离子电池的制备成本，同时提升锂离子电池的电容量循环稳定性与电性质量。

综上所述，本发明发展出一种可大量生产适用于锂离子电池的含硅材料的方法，其能具体解决现有技术使用化学气相沉积法、高能球磨法或化学合成法制备含硅材料具有高成本与质量不稳定等问题，通过线切割硅材及适当的纯化步骤，使研磨颗粒部分残留于含硅材料中，进而改善含硅负极材料于充/放电过程中容易产生受热后体积膨胀的问题。因此，本发明的制备方法不仅具有低成本与工艺简单等优点，更能使含有本发明的含硅材料的锂离子电池具备良好的循环稳定性与电性质量。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A及1B为本发明使用线切割组件切割一硅基材的示意图。

图2A为本发明混合浆料的扫描式电子显微镜影像图。

图2B为本发明混合浆料的粒径分布图。

图3A为本发明经过固液分离、酸溶及水洗步骤后的第二纯化混合物的扫描式电子显微镜影像图。

图3B为本发明经过固液分离、酸溶及水洗步骤后的第二纯化混合物的粒径分布图。

图4A及4B为本发明实施例1所制得的粉末状的含硅材料的扫描式电子显微镜影像图。

图5A为本发明实施例1所制得的粉末状的含硅材料的扫描式电子显微镜影像图。

图5B为本发明实施例1所制得的粉末状的含硅材料的粒径分布图。

图6为本发明实施例3所制得的锂离子电池经过1次充/放电后电容与电压的关系图。

图7为本发明实施例3所制得的锂离子电池进行第1至100次充/放电时电容量与充/放电次数的关系图。

图8为本发明实施例3所制得的锂离子电池进行第1至100次充/放电时库伦效率与充/放电次数的关系图。

其中，附图标记：

11：切割浆料     111：切割液

112：研磨颗粒    12：切割线

2：硅基材

具体实施方式

以下，将借由下列具体实施例详细说明本发明使用线切割组件切割硅材制得锂离子电池负极材料用的硅粉的实施方式，本领域技术人员可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且于不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。

实施例1：制备含硅材料

首先，提供一硅基材及一线切割组件，并且使用该线切割组件切割一硅基材，以获得一混合浆料。于本实施例中，线切割组件包含切割线及切割浆料的组合，其中切割浆料含有一切割液及分散于该切割液中的多个研磨颗粒。于此，所选用的切割线的材料包含铁及铜，其线径为120微米；切割液的主要成分为丙二醇；所选用的研磨颗粒为粒径大约介于5至30微米之间的碳化硅；且该硅基材为多晶硅的硅棒，且该硅基材中掺杂有0.01重量百分比的硼。

请参考图1A及1B所示，所述的切割浆料11喷洒于钢琴线12(即，切割线)上，使切割液111及分散于切割液111中的研磨颗粒112共同设置于钢琴线12的表面。当钢琴线经由滚轮(图未示)的动作而高速移动时，可带动钢琴线12上的切割浆料11进入切削区，并通过切割浆料11中的多个研磨颗粒112与硅基材2产生相对研磨运动，以获得一混合浆料。

于此，所获得的混合浆料包含丙二醇及混合粉末，该混合粉末的主要成分来自于线切割硅材时所掉落的硅粉。以整体混合浆料的固体总重量为基准，其更包含有40重量百分比的碳化硅粉末及3重量百分比的铁粉。请参考图2A所示，在尚未进行后续处理步骤前，混合浆料的一次粒径介于5纳米至30微米之间；请再参考图2B所示，当混合浆料中的固态成分相互团聚后，经由粒径分布分析仪所测得的二次粒径介于0.5微米至30微米之间。

接着，使用压滤分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物。于此，所述的液态混合物包含有丙二醇及其它添加剂与悬浮剂，固态混合物包含硅粉、碳化硅粉、铁粉、铜粉或其氧化物。

之后，水洗该固态混合物，以更进一步去除残留于固态混合物中的丙二醇，提升后续进行粒径分选的分选效率。

接着，再使用硫酸酸洗该固态混合物，借以溶除固态混合物中的铁粉、铜粉、其它可溶于硫酸的金属氧化物或合金氧化物，再经由反复的水洗步骤去除不必要的杂质，获得一第二纯化混合物。于本实施例中，可经由反复酸溶及水洗步骤提高所制得的含硅材料的纯度，并借此避免其它金属杂质影响锂离子电池负极材料的电性质量。

请参考图3A所示，经过固液分离、酸溶及水洗步骤后，所获得的第二纯化混合物的一次粒径介于5纳米至25微米之间；请再参考图3B所示，当第二纯化混合物中的固态成分相互团聚后，经由粒径分布分析仪所测得的二次粒径介于0.9微米至25微米之间。于此，所述的第二纯化混合物中包含大约42.73重量百分比的硅与大约57.27重量百分比的碳化硅。

然后，将前述经过酸溶及水洗的第二纯化混合物再经由水力旋流器的湿式粒径分选法进行粒径分选，在操作压力介于0.15MPa至0.40MPa下，去除粒径大于15微米的颗粒，即可获得一含硅材料。

请参考下表1所示，以不同操作压力进行水力旋流分选可获得不同含量比例的硅与碳化硅，所述的含量单位以重量百分比(wt%)示之。

表1：于不同操作压力下进行水力旋流分选后，硅与碳化硅的含量比例。

	操作压力(MPa)	硅(wt%)	碳化硅(wt%)
				实验1	0.15	53.10	46.90
实验2	0.20	72.40	27.60
				实验3	0.25	80.00	20.00
实验4	0.30	87.67	12.33
				实验5	0.35	79.36	20.64
实验6	0.40	78.38	21.62

最后，再以120°C的温度干燥该含硅材料后，即获得粉末状的含硅材料。请参考图4A及4B所示，可观察到经由本发明的制备方法所制得的粉末状的含硅材料，其一次粒径确实可微细化至纳米等级，约为5纳米至10微米。请再参考图5A及5B所示，由扫描式电子显微镜影像图及粒径分布图可得知，当粉末状的含硅材料相互团聚后，其二次粒径介于0.4微米至10微米之间。

此外，经由感应耦合电浆原子发射光谱技术的分析结果显示，本实施例所制得的粉末状的含硅材料中铁粉的含量降至50ppm以下。

实施例2：制备含硅材料

于本实施例中，使用大致如同前述实施例1所述的制备方法获得一混合浆料。其中，所选用的研磨颗粒为粒径大约介于5至30微米之间的碳化硅，切割线的线径为120微米。

接着，使用压滤分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物。其中，该固态混合物包含有大约42.50重量百分比的硅与大约57.50重量百分比的碳化硅。

之后，以不同转速进行气流分选步骤，借以获得一第一纯化混合物，各转速所获得的第一纯化混合物中硅与碳化硅的含量比例如下表2所示。

表2：于不同转速下进行气流分选后，第一纯化混合物中硅与碳化硅的含量比例。

	转速(rpm)	硅(wt%)	碳化硅(wt%)
				实验1	2880	85.00	15.00
实验2	2700	72.50	27.50
				实验3	2520	55.10	44.90

之后，水洗该第一纯化混合物，以更进一步去除残留于固态混合物中的丙二醇。

接着，再使用硫酸酸洗该第一纯化混合物，借以溶除第一纯化混合物中的铁粉、铜粉、其它可溶于硫酸的金属氧化物或合金氧化物，再经由反复的水洗步骤去除不必要的杂质，即可制得本发明的含硅材料。于本实施例中，所述的含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。

再者，经由感应耦合电浆原子发射光谱技术的分析结果显示，本实施例所制得的含硅材料中铁粉的含量低于50ppm，证实本发明的制备方法确实可有效去除不想要的杂质，获得适合应用于锂离子电池的含硅材料。

由实施例1及2的实验结果证实，本发明的制备方法不仅可以大量生产含硅材料，更可以微细化含硅材料中的硅、掺杂有少量的非活性成份、并且有效去除不想要的杂质，借以制得适合应用于锂离子电池的含硅材料。

实施例3：制备含有本发明负极材料的锂离子电池

首先，将0.8克的粉末状的含硅材料(由实施例1的制备方法所制得)、0.2克的导电碳黑(型号为SUPER-P)均匀混合、0.2克的丁苯橡胶，以制得锂离子电池负极浆料。

接着，将该锂离子电池负极浆料以旋转涂布法涂布于铜箔上，待其干燥后制得锂离子电池的负极电极。

之后，使用金属锂箔作为参考电极(相对负极)，所述的参考电极可选择性涂布有正极活性材料(如：锂钴氧化物(LiCoO₂))，并将前述制得的负极与参考电极彼此相对，并于两者间插置一隔离膜，再注入1M溶有六氟磷酸锂的碳酸乙二酯及碳酸亚烯酯的电解液，即完成锂离子电池的制备。

使用频道充/放电仪以充/放电速率为0.2C、充/放电截止电压为0V至1.5V测试其锂电池的充/放电能力，并记录电压随时间的变化。请参考图6所示，本实施例的锂离子电池于第一次放电的电容量约1652mAh/g，第一次充电的电容量约976mAh/g，实验结果证实本发明使用线切割工具线切割一硅基材所制得的含硅材料确实可作为锂离子电池负极材料的主要成份，并且提供锂离子电池顺利进行充/放电的工作。

请再参考图7所示，包含本发明的含硅材料的锂离子电池经由0.2C充/放电速率重复进行充/放电100次后仍可具有574mAh/g的充/放电电容及良好的循环稳定性。此外，请参考图8所示，本实施例的锂离子电池在经过100次充放电后，仍可具有趋近于100%的库伦效率。

据此，本发明含硅材料的制备方法确实能提供一种可大量生产适用于锂离子电池的含硅材料的方法，借以大幅降低可适用于锂离子电池的含硅材料的制备成本，并且同时改善硅受热而膨胀的问题，进而提高锂离子电池的循环稳定性与电性质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (35)

1.一种含硅材料的制备方法，其特征在于，其包含下列步骤：

提供一线切割组件，该线切割组件包括一切割线及施用于该切割线的一切割浆料，其中该切割浆料含有一切割液及分散于该切割液中的多个研磨颗粒，且该研磨颗粒的粒径介于1微米至50微米之间；

使用该线切割组件切割一硅基材，以获得一混合浆料；

使用固液分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物，其中该固态混合物含有硅、研磨颗粒的材料及切割线的材料；以及

粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中该切割线的线径介于80微米至500微米之间。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中该含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中该切割浆料的切割液包含油性切割液、水溶性切割液或合成切割液。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，其中该切割浆料的切割液包含矿物油。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，其中该切割浆料的切割液包含乙二醇、丙二醇、聚烷基二醇醚、聚乙二醇、二乙二醇、三乙二醇或其组合。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中该研磨颗粒的材料选自于下列所组成的群组：钻石、类钻碳、碳化硅、氮化硼、碳化硼、氮化铝、二氧化锆及其组合。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其中该固液分离法包括：离心分离法、压滤分离法、沉降分离法、膜过滤法或倾析分离法。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其于使用固液分离法分离该混合浆料的步骤之前，该制备方法更包括水洗该混合浆料。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其于粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤之前，该制备方法更包括水洗该固态混合物。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其包括使用酸溶法移除该固态混合物中的切割线的材料，该切割线的材料为铁、铜、镍或其组合。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，其包括使用一酸性溶液酸溶该固态混合物中的切割线的材料，该酸性溶液包含有硫酸、盐酸、硝酸或其组合。

13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其包括使用磁选法移除该固态混合物中的切割线的材料，该切割线的材料为铁、镍或其组合。

14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其包括使用干式粒径分选法或湿式粒径分选法粒径分选该固态混合物。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，其中该干式粒径分选法包括筛网分选法、气流分选法、风力分选法或其组合。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，其中该气流分选法的转速为1500至3600rpm。

17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，其中该含硅材料包含介于40至99重量百分比之间的硅与介于1至60重量百分比之间的研磨颗粒的材料。

18.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，其中该湿式粒径分选法包括水力旋流分选法、浮选法或其组合。

19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，其中该水力旋流分选法的操作压力介于0.10至1.00MPa。

20.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于，其中该含硅材料包含介于40至99重量百分比之间的硅与介于1至60重量百分比之间的研磨颗粒的材料。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的制备方法，其特征在于，其中粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤包括：

粒径分选该固态混合物，以获得一第一纯化混合物；以及

移除该第一纯化混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

22.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，其中该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合，且移除该第一纯化混合物中的切割线的材料以制得该含硅材料的步骤包括：

使用磁选法移除该第一纯化混合物中的铁、镍或其组合；以及

使用酸溶法移除该第一纯化混合物中的铜、铁、镍或其组合，以制得该含硅材料。

23.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，其中该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合，且移除该第一纯化混合物中的切割线的材料以制得该含硅材料的步骤包括：

使用酸溶法移除该第一纯化混合物中的铜、铁、镍或其组合；以及

磁选法移除该第一纯化混合物中的铁、镍或其组合，以制得该含硅材料。

24.根据权利要求21所述的制备方法，其特征在于，其中粒径分选该固态混合物以获得该第一纯化混合物的步骤包括：

粒径分选该固态混合物，以获得一分选后混合物；以及

水洗该分选后混合物，以获得该第一纯化混合物。

25.根据权利要求1至20中任一项所述的制备方法，其特征在于，其中粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料的步骤包括：

移除该固态混合物中的切割线的材料，以获得一第二纯化混合物；以及

粒径分选该第二纯化混合物，以制得该含硅材料。

26.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，其中该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合，且移除该固态混合物中的切割线的材料以获得该第二纯化混合物的步骤包括：

使用磁选法移除该固态混合物中的铁、镍或其组合；以及

使用酸溶法移除该固态混合物中的铜、铁、镍或其组合，以制得该第二纯化混合物。

27.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，其中该切割线的材料为铜、铁、镍或其组合，且移除该固态混合物中的切割线的材料以获得该第二纯化混合物的步骤包括：

使用酸溶法移除该固态混合物中的铜、铁、镍或其组合；以及

使用磁选法移除该固态混合物中的铁、镍或其组合，以制得该第二纯化混合物。

28.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，其中移除该固态混合物中的切割线的材料以获得该第二纯化混合物的步骤包括：

移除该固态混合物中的切割线的材料，以获得一处理后混合物；以及

水洗该处理后混合物，以获得该第二纯化混合物。

29.根据权利要求1至20中任一项所述的制备方法，其特征在于，其包括干燥该含硅材料，以获得粉末状的含硅材料。

30.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，其中该粉末状的含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。

31.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，其包括一种权利要求1至30中任一项所述的制备方法所制得的含硅材料。

32.根据权利要求31所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，其中该含硅材料的粒径介于5纳米至15微米之间。

33.根据权利要求32所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，其中该含硅材料的粒径介于5纳米至2微米之间。

34.一种锂离子电池负极元件的制备方法，其特征在于，其包括：

齐备一种权利要求1至30中任一项所述的制备方法所制得的含硅材料；

将该含硅材料与一含碳材料混合，以制得一锂离子电池负极浆料；以及

将该锂离子电池负极浆料形成于金属箔上，待其干燥后制得锂离子电池负极元件。

35.根据权利要求34所述的电池负极元件的制备方法，其特征在于，其中齐备一种权利要求1至30中任一项所述的制备方法所制得的含硅材料的步骤包括：

提供一线切割组件，该线切割组件包括一切割线及施用于该切割线的一切割浆料，其中该切割浆料含有一切割液及分散于该切割液中的多个研磨颗粒，且该研磨颗粒的粒径介于1微米至50微米之间；

使用该线切割组件切割一硅基材，以获得一混合浆料；

使用固液分离法分离该混合浆料，以获得一液态混合物及一固态混合物，其中该固态混合物含有硅、研磨颗粒的材料及切割线的材料；以及

粒径分选该固态混合物与移除该固态混合物中的切割线的材料，以制得该含硅材料。

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