CN108615870A - 低成本且能规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本且能规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将硅源，低熔点盐和镁粉混合后进行球磨处理，(2)将球磨后的原料进行镁热反应，(3)去除步骤(2)中的产物的杂质以及未反应的SiO2，即可。将机械球磨法与有熔盐保护的镁热反应法相结合，其中低熔点的盐作为吸热剂，并且将硅源例如硅藻土，低熔点盐和镁粉一起通过机械球磨法均匀混合，该方法既可以使反应材料均匀混合，又可以防止镁热反应体系过程中局部过热，防止副产物的生成，提高产率，并且还可以减小产物的粒径。

Description

低成本且能规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，尤其涉及一种低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法。
背景技术
自从Sony公司在1990年将锂离子电池推向商业化以来，锂离子电池就以工作放电电压平台高、高比容量和比能量、循环寿命长、环境友好、无记忆效应及安全性能好等优点，得到了快速发展并迅速抢占电池市场。锂离子电池的应用领域也从手机、笔记本电脑等电子终端设备走向电动汽车、储能技术、国防工业以及空间技术等领域，锂离子电池已经成为高能电源中最重要的研究对象。
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，也是制约其容量和发展的关键技术之一，其性能的好坏直接决定了锂离子电池性能的优劣。而目前的锂离子电池负极材料石墨，自从锂离子电池商业化以来，实际比容量已经接近其理论值(372mAh/g)，很难再有提升空间，因此寻找下一代高比容量、高能量密度的负极材料成了锂离子电池研究关注的热点。
硅材料和锂能形成Li7Si3、Li12Si7、Li13Si4、Li15Si4、Li22Si5等合金，具有高比容量(4200mAh/g，Li22Si5)、低脱嵌锂电压(＜0.5V vs Li/Li+)、储量丰富等优点，因而是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。尽管硅的理论容量相对于石墨类碳材料有数量级的提高，硅作为锂离子电池负极材料的应用仍然受到很大的限制，这主要是因为在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应伴随大的体积变化(～400％)，造成材料结构的破坏和粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体分离，使导电接触变差，引起容量迅速下降，循环性能恶化。
针对硅材料作为锂离子电池负极材料时严重的体积效应，一种有效的方法就是使硅材料多孔化，多孔硅中的孔隙能够有效缓解硅材料在充放电过程中的体积效应。湿法刻蚀、化学掺杂以及化学气相沉积是目前制备多孔硅的常用方法，但是这些制备方法存在着原料昂贵、过程复杂、制备成本高等缺点，大大限制了其应用。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，本发明的方法既可以使反应材料均匀混合，又可以防止镁热反应体系过程中局部过热，防止副产物的生成，提高产率，并且还可以减小产物的粒径。
第一方面，本申请实施例提供了一种低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅源，低熔点盐和镁粉混合后进行球磨处理，(2)将球磨后的原料进行镁热反应，(3)去除步骤(2)中的产物的杂质以及未反应的SiO2，即可。
优选的：所述低熔点盐的熔点为650-800℃。
优选的：所述镁热反应的具体步骤：将球磨后的物料收集并装入密闭的不锈钢套中，将不锈钢套放入管式炉中，通入保护气体(优选的：氮气或者氩气)，升温速率为2～5℃/min，然后650～750℃之间的某一温度保温3～5小时，最后随炉冷却至室温。
优选的：去除未反应的SiO2的步骤如下：将去除杂质的产物浸入5wt％的HF溶液中10～30分钟，然后抽滤、洗涤至中性，最后80℃真空干燥。
优选的：所述硅源为硅藻土或水稻壳灰。
优选的：所述硅源中SiO2与低熔点盐的质量比为：1:5～1:10，所述硅源中SiO2与镁粉的摩尔比为：1:2～1:2.5。
优选的：所述球磨的条件为：120～300r/min之间某一速率球磨5～10小时。
优选的：所述低熔点盐为：MgCl2，KCl或NaCl。
优选的：所述镁粉的粒径为100～200目。
优选的：所述硅藻土的提纯方法为：将硅藻土在空气中700～850℃之间某一温度煅烧2～6小时除去其中的有机成分，冷却后将其浸入到3～4mol/L的H2SO4溶液中，80～95℃之间某一温度水浴，搅拌5～6小时去除其中的金属氧化物(MgO，Al2O3，Fe2O3，CaO等)，然后将其抽滤，接着洗去多余酸，最后干燥(优选的：100℃鼓风干燥)至水分完全蒸干，得到提纯的硅藻土。
第二方面，本发明要求保护上述任一所述的制备方法制备得到的多孔硅材料。
第三方面，本发明要求保护上述任一所述的制备方法制备得到的多孔硅材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，将机械球磨法与有熔盐保护的镁热反应法相结合，其中低熔点的盐作为吸热剂，并且将硅源例如硅藻土，低熔点盐和镁粉一起通过机械球磨法均匀混合，该方法既可以使反应材料均匀混合，又可以防止镁热反应体系过程中局部过热，防止副产物的生成，提高产率，并且还可以减小产物的粒径。
2、本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，既防止了镁热反应过程中局部过热，从而阻止Mg2SiO4等副产物的生成，提高了材料的产率；还可以防止硅藻土中固有的多孔结构在镁粉反应过程由于过热而坍塌，使得到的硅材料保持多孔结构。
3、本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，采用的球磨方法可以大大降低硅藻土的粒径，从而降低多孔硅产物的粒径，进而缓解其作为锂离子电池负极材料在充放电过程中的体积效应。
附图说明
图1为本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法制备得到的材料与商业硅粉XRD对比图；
图2为本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法制备得到的材料透射电镜(TEM)照片与选区电子衍射(SAED)照片；
图3为本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法制备得到的材料与不同镁热方法制备的材料XRD对比图；
图4为本发明实施例示例的低成本且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法制备得到的材料经过简单包碳后作为锂离子电池负极材料时与其它镁热方法制备的材料循环性能对比图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
本实施例示例了低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，
具体包括以下步骤：
(1)将硅藻土在空气中800℃煅烧4小时除去其中的有机成分，冷却后将其浸入到3.5mol/L的H2SO4溶液中，90℃水浴，搅拌5.5小时去除其中的金属氧化物(MgO，Al2O3，Fe2O3，CaO等)，然后将其抽滤，接着洗去多余酸，最后100℃鼓风干燥至水分完全蒸干，得到提纯的硅藻土；
(2)将3g提纯的硅藻土，28g NaCl或其它盐(MgCl2，KCl)，3g 100～200目镁粉，放入玛瑙罐中，200r/min球磨8小时；
(3)将球磨后的物料收集并装入密闭的不锈钢套中，将不锈钢套放入管式炉中，通入氮气或者氩气，升温速率为3℃/min，然后700℃保温4小时，最后随炉冷却至室温；
(4)将上述产物浸入去离子水中，洗去多余NaCl，然后将其浸入到1.5mol/L的HCl溶液中15小时，除去产物中Mg2Si，MgO和残余的Mg，最后将上述溶液抽滤，并用水洗至中性；
(5)将上述产物浸入5wt％的HF溶液中20分钟，然后抽滤、洗涤至中性，最后80℃真空干燥即可。
本发明方法制备得到的材料的典型X射线衍射图片如附图1所示，由图1可以看出在28.5°、47°、56°、69°、76°和88°分别对应硅的(111)、(220)、(311)、(400)、(331)和(411)晶面，与商业硅的XRD图相同，所以可以确定本发明方法制备的材料为硅材料。由图2可以看出，本发明方法制备得到的材料的透射电镜(TEM)照片与选区电子衍射(SAED)照片如附图2所示，通过TEM和SAED片可以确定本发明方法制备的硅材料为多孔结构。
实施例二
本实施例示例了低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅藻土在空气中700℃煅烧6小时除去其中的有机成分，冷却后将其浸入到3mol/L的H2SO4溶液中，95℃水浴，搅拌5小时去除其中的金属氧化物(MgO，Al2O3，Fe2O3，CaO等)，然后将其抽滤，接着洗去多余酸，最后100℃鼓风干燥至水分完全蒸干，得到提纯的硅藻土；
(2)将3g提纯的硅藻土，15g NaCl或其它盐(MgCl2，KCl)，2.4g100～200目镁粉，放入玛瑙罐中，120r/min之间某一速率球磨5小时；
(3)将球磨后的物料收集并装入密闭的不锈钢套中，将不锈钢套放入管式炉中，通入氮气或者氩气，升温速率为2℃/min，然后650℃保温3小时，最后随炉冷却至室温；
(4)将上述产物浸入去离子水中，洗去多余NaCl，然后将其浸入到1mol/L的HCl溶液中5小时，除去产物中Mg2Si，MgO和残余的Mg，最后将上述溶液抽滤，并用水洗至中性；
(5)将上述产物浸入5wt％的HF溶液中10分钟，然后抽滤、洗涤至中性，最后80℃真空干燥得到前述多孔硅材料。
实施例三
本实施例示例了低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅藻土在空气中850℃之间某一温度煅烧2小时除去其中的有机成分，冷却后将其浸入到4mol/L的H2SO4溶液中，80℃水浴，搅拌6小时去除其中的金属氧化物(MgO，Al2O3，Fe2O3，CaO等)，然后将其抽滤，接着洗去多余酸，最后100℃鼓风干燥至水分完全蒸干，得到提纯的硅藻土；
(2)将3g提纯的硅藻土，30g NaCl或其它盐(MgCl2，KCl)，3g 100～200目镁粉，放入玛瑙罐中，300r/min之间某一速率球磨10小时；
(3)将球磨后的物料收集并装入密闭的不锈钢套中，将不锈钢套放入管式炉中，通入氮气或者氩气，升温速率为5℃/min，然后750℃之间的某一温度保温5小时，最后随炉冷却至室温；
(4)将上述产物浸入去离子水中，洗去多余NaCl，然后将其浸入到2mol/L的HCl溶液中24小时，除去产物中Mg2Si，MgO和残余的Mg，最后将上述溶液抽滤，并用水洗至中性；
(5)将上述产物浸入5wt％的HF溶液中30分钟，然后抽滤、洗涤至中性，最后80℃真空干燥得到前述多孔硅材料。
对比例
根据是否使用NaCl或者机械球磨，共有四种组合，共得到四种产物，本发明方法制备的材料标记为pSi-I，其余三种材料分别为pSi-II、pSi-III和pSi-IV，此三种方法除了是否用NaCl或者球磨其它步骤和本发明方法一样，如表1所示：
表1多种镁热方法制备硅材料
产物 NaCl 球磨
pSi-I √ √
pSi-II √ ×
pSi-III × ×
pSi-IV × √
四种镁热方法得到的产物的XRD图如图3所示，通过四种产物的XRD对比可以肯定不使用NaCl作为吸热剂的镁热还原产物中含有Mg2SiO4，而且在后续的酸洗过程中Mg2SiO4不能够被HCl和HF洗去，这是因为镁热反应过程中由于放热使局部温度过高，发生如下反应SiO2(S)+2MgO(S)＝Mg2SiO4(S)。
本发明由于使用将机械球磨法与有熔盐保护的镁热反应法相结合的改进的镁热还原法，制备的材料经过简单包碳后作为锂离子电池负极材料时与其它镁热方法制备的材料相比具有明显的优势，如图4所示：C@pSi-I作为锂离子电池负极材料时在200mA/g电流密度下，200次个循环后其比容量为1116.7mAh/g，而C@pSi-II，C@pSi-III和C@pSi-IV在200mA/g电流密度下，200个循环后比容量分别为585.9mAh/g，122.6mAh/g和239.9mAh/g；C@pSi-I用于负极材料时相对于其它三种材料具有明显的倍率性能，其在200mA/g，500mA/g，1000mA/g和2000mA/g电流密度下，比容量分别为1816.7mAh/g，1602mAh/g，1509.4mAh/g和1226.9mAh/g，当电流密度重新变为200mA/g时，其比容量又恢复到1611.1mAh/g，具有优异的倍率性能。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：包括以下步骤：(1)将硅源，低熔点盐和镁粉混合后进行球磨处理，(2)将球磨后的原料进行镁热反应，(3)去除步骤(2)中的产物的杂质以及未反应的SiO2，即可。
2.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：所述低熔点盐的熔点为650-800℃。
3.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：所述镁热反应的具体步骤：将球磨后的物料收集并装入密闭的不锈钢套中，将不锈钢套放入管式炉中，通入保护气体，升温速率为2～5℃/min，然后650～750℃之间的某一温度保温3～5小时，最后随炉冷却至室温。
4.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：去除未反应的SiO2的步骤如下：将去除杂质的产物浸入5wt％的HF溶液中10～30分钟，然后抽滤、洗涤至中性，最后80℃真空干燥。
5.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：所述硅源为硅藻土或水稻壳灰，优选的：所述低熔点盐为：MgCl2，KCl或NaCl。
6.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：所述硅源中SiO2与低熔点盐的质量比为：1:5～1:10，所述硅源中SiO2与镁粉的摩尔比为：1:2～1:2.5，优选的：所述镁粉的粒径为100～200目。
7.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，其特征是：所述球磨的条件为：120～300r/min之间某一速率球磨5～10小时。
8.如权利要求1所述的低成本并且规模化生产的高比容量多孔硅材料的制备方法，所述硅藻土的提纯方法为：将硅藻土在空气中700～850℃之间某一温度煅烧2～6小时除去其中的有机成分，冷却后将其浸入到3～4mol/L的H2SO4溶液中，80～95℃之间某一温度水浴，搅拌5～6小时去除其中的金属氧化物，然后将其抽滤，接着洗去多余酸，最后干燥至水分完全蒸干，得到提纯的硅藻土。
9.权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到的多孔硅材料。
10.权利要求1-8任一所述的制备方法制备得到的多孔硅材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。
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