CN108417784A - 一种锂离子电池硅负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）将清洗后的硅粉置于金属盐和HF的混合溶液中进行沉积处理；（2）最后对表面金属修饰处理后的硅粉进行氧化处理，使硅颗粒表面没有覆盖金属颗粒的地方形成一层氧化层；所述金属盐为硝酸银、氯金酸钾、六氯铂酸钾或硝酸铜。本发明即可提升硅粉导电性又可增强硅颗粒与粘结剂的结合力度，可大大提高硅负极材料的循环性能，且本发明工艺简单、成本低廉，非常适合大规模产业化生产，有望加快锂离子电池硅基负极材料的发展。

Description

一种锂离子电池硅负极材料的制备方法
技术领域
本发明属于新能源材料制备技术领域。
背景技术
随着人类日益增长的需求和电动汽车的迅猛发展，要求锂离子电池负极材料具有高容量、快速率充放电等特点。现有的石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，其中商业化石墨负极产品已达360mAh/g左右，基本已无提升空间。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。但是，硅材料在储锂过程中存在巨大体积效应，约300%，这将导致活性材料膨胀碎裂，从集流体上粉化脱落，失去活性；另外，硅属半导体材料，其导电性较差，电子从硅中迁移至集流体上所需时间较长，致使在大电流充放电时，硅中的电子较难迁移出来，即导致硅负极材料的倍率性能较差。
在现有的解决方案中，有学者对硅颗粒整个表面进行氧化处理，目的是增强硅表面与粘结剂结合力度，达到抑制硅负极材料膨胀碎裂从而提高其循环性能的目的，该方法也确实获得了较好的效果。理论上，硅颗粒表面氧化层厚度越大，其与粘结剂的结合力应越强，抑制硅材料膨胀的效果应越好，电池的循环性能也应越好。但由于硅表面氧化层是绝缘体，若厚度太大，会影响电子和离子的传输，最终影响锂离子电池性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，该方法即可增强硅颗粒与粘结剂之间的结合力度又可保证电子和离子的传输，可大大提高硅负极材料的循环性能，且本发明工艺简单、成本低廉，非常适合大规模产业化生产，有望加快锂离子电池硅基负极材料的发展。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征是包括如下步骤。
（1）将清洗后的硅粉置于金属盐和HF的混合溶液中进行沉积处理，目的是在硅表面沉积金属颗粒，从而提高硅粉导电性。
（2）最后对表面金属修饰处理后的硅粉进行氧化处理，使硅颗粒表面没有覆盖金属颗粒的地方形成一层氧化层，目的是提高硅表面与粘结剂的结合力度，达到抑制硅材料膨胀并提高锂离子电池循环性能的目的。
本发明步骤（1）中所述硅粉为颗粒状、片状。
本发明步骤（1）中所述金属盐为硝酸银（AgNO3）、氯金酸钾（KAuCl4）、六氯铂酸钾（K2PtCl6）、硝酸铜（Cu(NO3)2）。
本发明步骤（1）中所述金属盐的浓度为0.01-20 M，HF的浓度为0.01-20 M，金属颗粒沉积时间为1-100 min。
本发明步骤（2）中所述氧化方法优选以下两种方法，为液态氧化法或气态氧化法。
液态氧化：将表面金属修饰处理后的硅粉置于含有氧化性试剂的水溶液中进行处理，氧化性试剂包括水、过氧化氢（H2O2）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）或盐酸（HCl）中的一种或两种以上任意比例的混合溶液，处理后的硅粉烘干。
气态氧化：将表面金属修饰处理后的硅粉置于真空炉中进行氧化处理，炉内气氛可为空气、水蒸气、氩/氧混合气体（Ar/O2）、氧气（O2）、臭氧（O3）、一氧化碳（CO）或二氧化碳（CO2）中的一种或两种以上任意比例的混合气体，处理温度为50-1200℃，处理时间为1-300min。
本发明相对于现有硅表面氧化改性技术，其具有以下优点。
（1）该方法在增强硅颗粒与粘结剂之间的结合力度的同时，又保证了电子和离子的传输。
（2）该方法中的氧化层的厚度可比现有的硅表面氧化技术所制备的氧化层厚，（更厚的氧化层与粘结剂的结合力更强，且可控性更好），因为电子可通过金属颗粒在硅颗粒内外传输中，不需经过硅表面的氧化层。
附图说明
图1为本发明硅负极材料结构示意图。
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。
本实施例所述一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）依次采用丙酮、氢氟酸和超纯水对硅粉原料进行清洗。
（2）然后将清洗后的硅粉置于0.1 M AgNO3和1 M HF的混合溶液中进行搅拌处理，处理时间为3min，溶液温度为25℃。
（3）最后将上述处理后的硅粉置于纯水中进行氧化处理，水温为90℃，处理时间为60min，氧化结束后对硅粉进行抽滤并烘干处理。
实施例2。
本实施例所述一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）依次采用丙酮、氢氟酸和超纯水对硅粉原料进行清洗。
（2）然后将清洗后的硅粉置于0.05 M AgNO3和2 M HF的混合溶液中进行搅拌处理，处理时间为5min，溶液温度为40℃。
（3）最后将上述处理后的硅粉置于1 M H2SO4水溶液中进行氧化处理，溶液温为40℃，处理时间为30min，氧化结束后对硅粉进行抽滤并烘干处理。
实施例3。
本实施例所述一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，具体包括以下步骤。
（1）依次采用丙酮、氢氟酸和超纯水对硅粉原料进行清洗。
（2）然后将清洗后的硅粉置于0.2 M AgNO3和4 M HF的混合溶液中进行搅拌处理，处理时间为3min，溶液温度为30℃。
（3）最后将上述处理后的硅粉置于真空炉中进行氧化处理，炉内气氛为Ar/O2混合气，其中Ar : O2 = 95:5（wt.%），处理温度为800℃，处理时间为30min。

Claims (5)

1.一种锂离子电池硅负极材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：
（1）将清洗后的硅粉置于金属盐和HF的混合溶液中进行沉积处理；
（2）最后对表面金属修饰处理后的硅粉进行氧化处理，使硅颗粒表面没有覆盖金属颗粒的地方形成一层氧化层；
所述金属盐为硝酸银、氯金酸钾、六氯铂酸钾或硝酸铜。
2.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征是步骤（1）中所述硅粉为颗粒状或片状。
3.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征是步骤（1）中所述金属盐的浓度为0.01-20 M，HF的浓度为0.01-20 M，金属颗粒沉积时间为1-100 min。
4.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征是步骤（2）中所述氧化方法按如下步骤：将表面金属修饰处理后的硅粉置于含有氧化性试剂的水溶液中进行处理，氧化性试剂为水、过氧化氢、硫酸、硝酸或盐酸中的一种或两种以上任意比例的混合溶液，处理后的硅粉烘干。
5.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征是步骤（2）中所述氧化方法按如下步骤：将表面金属修饰处理后的硅粉置于真空炉中进行氧化处理，炉内气氛为空气、水蒸气、氩/氧混合气体、氧气、臭氧、一氧化碳或二氧化碳中的一种或两种以上任意比例的混合气体，处理温度为50-1200℃，处理时间为1-300 min。
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