CN107093708A - 一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents

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岳之浩
周浪
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Abstract

一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：对n型硅片依次进行球磨微米化和砂磨纳米化处理；接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗；然后对n型硅粉进行表面氧化处理；最后将氧化后的硅粉与导电剂、粘结剂混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片，并制成扣式电池。本发明在其他条件相同的情况下，n型硅比p型硅具有更高的储锂容量，且其制备方法工艺简单、成本低廉，非常适合大规模产业化生产，有望进一步加快锂离子电池领域的发展。

Description

一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源纳米材料技术领域。
背景技术
众所周知，硅作为锂离子电池负极材料的理论容量可达4200mAh/g左右，且硅在地壳中的含量丰富，仅次于氧，因此成为研究热点。现有商用硅负极材料绝大部分是来自光伏行业中的碎硅片和碎硅块，而光伏行业所采用的硅材料基本都是p型掺杂硅。但是，p型掺杂硅相对于n型掺杂硅具有更高的储锂电位，最终导致储锂容量减少。因此，如果采用n型掺杂硅替代现有的p型掺杂硅负极材料，其储锂比容量会得到显著提升。另外，由于硅材料巨大的储锂膨胀问题，现有硅负极材料都是以硅-碳复合的形式存在。近期研究表明，对硅表面进行氧化处理再结合海藻酸钠粘结剂可非常有效地改善硅负极材料的循环稳定性，并可望实现高容量全硅负极材料的产业化应用。那么，若对n型硅表面进行氧化处理并结合海藻酸钠粘结剂使用，其电化学性能可望得到进一步提升。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，该方法工艺简单并可低成本、大规模生产，有望进一步加快锂离子电池领域的发展。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是包括如下步骤。
（1）对n型硅材料依次进行球磨微米化和砂磨纳米化处理，接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗。
（2）对n型硅粉进行表面氧化处理。
（3）将氧化后的硅粉与导电剂、粘结剂混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片，并制成扣式电池。
本发明步骤（1）中所述n型硅材料可为颗粒状、片状或块状。
本发明步骤（1）中所述n型硅材料纯度可为太阳能级或半导体级。
本发明步骤（1）中所述n型硅材料经砂磨纳米化处理后的粒径为50-1000nm。
本发明步骤（2）中所述表面氧化处理可为湿法氧化或干法氧化，氧化层厚度为1-15nm。
本发明步骤（3）中所述的导电剂可为导电炭黑、碳纳米管或石墨烯。
本发明步骤（3）中所述的粘结剂可为海藻酸钠、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶。
本发明中n型掺杂硅相对于现有p型掺杂硅材料，其具有以下优点：（1）具有更高的储锂比容量；（2）具有更好的倍率性能；（3）具有更低的交流阻抗。
附图说明
图1为n型和p型全硅负极的电化学阻抗谱。
图2为n型和p型全硅负极的倍率性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1。
本实施例所述一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）将电阻率为1Ωcm的n型太阳能级碎硅片在400rpm的转速下球磨5h，然后在2000rpm的转速下砂磨4h，接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗。
（2）将所得n型硅粉置于H2SO4/H2O2(质量比3:1)的混合溶液中进行表面氧化处理，处理温度为90℃，处理时间为4h，然后经抽滤、冲洗、烘干得到表面氧化改性的n型硅粉。
（3）将氧化后的硅粉与导电炭黑、海藻酸钠按质量比70:15:15混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片，并制成扣式电池。
（4）采用电阻率为1Ωcm的p型太阳能级碎硅片按照上述工艺进行处理，以作对比。
本实施例中n型硅比p型硅材料的首次充电容量高150mAh/g。
实施例2。
本实施例所述一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）将电阻率为0.001Ωcm的n型半导体级碎硅片在400rpm的转速下球磨5h，然后在2000rpm的转速下砂磨4h，接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗。
（2）将所得n型硅粉置于热处理炉中进行干法氧化处理，采用质量比为99.5：0.5的Ar/O2混合气体作为处理气氛，处理温度为700℃，处理时间为30min。
（3）将氧化后的硅粉与导电炭黑、海藻酸钠按质量比70:15:15混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片，并制成扣式电池。
（4）采用电阻率为0.001Ωcm的p型半导体级碎硅片按照上述工艺进行处理，以作对比。
本实施例中n型硅比p型硅材料的首次充电容量高165mAh/g。
实施例3。
本实施例所述一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）将电阻率为1Ωcm的n型太阳能级级碎硅块在400rpm的转速下球磨5h，然后在2000rpm的转速下砂磨4h，接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗。
（2）将所得n型硅粉置于H2SO4/H2O2(质量比3:1)的混合溶液中进行表面氧化处理，处理温度为90℃，处理时间为4h，然后经抽滤、冲洗、烘干得到表面氧化改性的n型硅粉。
（3）将氧化后的硅粉与导电炭黑、海藻酸钠按质量比70:15:15混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片，并制成扣式电池。
（4）采用电阻率为1Ωcm的p型太阳能级级碎硅块按照上述工艺进行处理，以作对比。
本实施例中n型硅比p型硅材料的首次充电容量高151mAh/g。

Claims (7)

1.一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：
（1）对n型硅材料依次进行球磨微米化和砂磨纳米化处理，接着依次采用丙酮、超纯水对n型硅粉进行清洗；
（2）对n型硅粉进行表面氧化处理；
（3）将氧化后的硅粉与导电剂、粘结剂混合以制备负极浆料，经过涂覆、烘干、压片、切片、称量制成负极片。
2.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（1）中所述n型硅材料为颗粒状、片状或块状。
3.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（1）中所述n型硅材料纯度为太阳能级或半导体级。
4.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（1）中所述n型硅材料经砂磨纳米化处理后的粒径为50-1000nm。
5.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（2）中所述表面氧化处理为湿法氧化或干法氧化，氧化层厚度为1-15nm。
6.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（3）中所述的导电剂为导电炭黑、碳纳米管或石墨烯。
7.根据权利要求书1所述的一种全n型硅锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是步骤（3）中所述的粘结剂可为海藻酸钠、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠或丁苯橡胶。
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