CN108682837A - 一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池定向多孔硅材料的制备方法，步骤如下：将碳酸钠与氧化亚硅混合，将混合料进行升温反应，清洗，得到锂离子电池用定向多孔硅材料。本发明通过氧化亚硅与碳酸钠在高温环境下发生反应，生成硅酸钠和单质硅，然后用去离子水洗涤除去反应生成的硅酸钠及残余的碳酸钠后得到具有大量微孔结构，以构建适于锂离子定向脱/嵌过程的通道并提供了充足的LixSi结合位点。与此同时，通过选择自然界丰富的钠资源逐渐替代稀缺的锂资源，这对于合理利用资源，降低生产成本具有积极的意义。将本发明制备的定向多孔硅材料作为负极材料应用于锂离子电池中，可以提高电极材料的理论容量与首次循环效率，从而大幅度提高材料的能量密度。

Description

一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法
技术领域
本发明涉及微米硅基材料技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法。
背景技术
由于硅来源丰富,价格便宜，及具有较高的理论容量(4200mAh/g)和较低的平台电位(0.5V)，因此有希望替代商业化的石墨，应用于高性能锂离子电池负极中。然而，硅在脱嵌锂过程中伴随着严重的体积变化,由于这种体积效应会造成电极结构的破坏，因此硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减，与此同时，材料会不断粉化及活性物质不断地脱落,也将极大地降低电池的循环性能。
基于硅基负极材料目前存在的问题,本发明通过不断地调整硅基材料的结构,设计具有定向脱/嵌锂通道的多孔硅材料来缩短锂离子的传输距离；同时，通过改善材料中的活性硅与稳定硅的含量抑制其在脱嵌锂过程的应力变化，提高电池的首次循环效率及电池的循环寿命。
发明内容
基于背景技术存在的问题，本发明提出了一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，本发明着眼于硅材料的结构设计,制备了一种多孔硅材料，可以缩短锂离子的传输距离,同时改善硅材料在循环过程中明显的体积变化,抑制其在脱嵌锂过程的应力变化，保持稳定的界面和SEI膜，从而提高电池的综合性能。
本发明提出了一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将碳酸钠与氧化亚硅混合，得到混合料；
S2、将混合料进行升温反应，清洗，得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
优选地，S1中，氧化亚硅与碳酸钠的质量比为0.2-1:0.5-1.5。
优选地，S1中，氧化亚硅的粒径为1-100um。
优选地，S1中，氧化亚硅的粒径为1-10μm。
优选地，S1中，碳酸钠的粒径为1-100um。
优选地，S1中，碳酸钠的粒径为1-10μm。
优选地，S1中，采用三维混料机混合。
优选地，S1中，混合的具体操作为：将氧化亚硅加入到三维混料机中，随后依次加入碳酸钠及锆球，料球比控制为1-10:1-10，开启三维混料机混合2-5h。
优选地，S2中，升温反应过程中使用惰性气体保护。
优选地，所述惰性气体为氩气、氮气中的至少一种。
优选地，S2中，升温速率为2-10℃/min。这是由于在煅烧的过程中，升温速率影响前驱体被还原的效果，若升温速率过快，将导致前驱体混合物受热不均，达不到理想的效果，因此控制升温速率为2-10℃/min。
优选地，S2中，反应温度为800-1200℃。
优选地，S2中，反应时间为2-6h。
优选地，S2中，采用去离子水清洗。
优选地，本发明可用于锂离子电池负极材料。
优选地，本发明可用于制作定向多孔硅及硅碳复合材料。
本发明通过氧化亚硅与碳酸钠在高温环境下发生反应，生成硅酸钠和单质硅，然后用去离子水洗涤除去反应生成的硅酸钠及残余的碳酸钠后得到锂离子电池用定向多孔硅材料，由这种方法得到的多孔硅材料具有大量的微孔结构。将本发明制备的多孔硅材料与碳材料复合后作为负极材料应用于锂离子电池，由于本发明制备的多孔硅材料具有大量的微孔结构，能构建适合锂离子脱嵌过程的通道，为锂离子提供理想的结合位点，极大地缓解充放电过程中材料体积变化；而且，碳材料具有较高的导电能力及离子通路，两者复合可以阻隔硅与电解液直接接触，降低不可逆容量，提高电极材料的理论容量与首次循环效率，从而大幅度提高材料的能量密度。本发明的制备方法简单易操作，成本较低，能应用于多种多孔硅及硅碳复合材料，适应性好，且适宜大规模生产。与此同时，本发明以碳酸钠作为反应原材料，通过选择自然界丰富的钠资源逐渐替代稀缺的锂资源，这对于合理利用资源，降低生产成本具有积极的意义。另外本发明的锂离子电池用定向多孔硅材料的产率大于70％。
附图说明
图1是本发明制备的锂离子电池用定向多孔硅材料的物象结构图；
图2是本发明制备的锂离子电池用定向多孔硅材料的孔径分布曲线图；
图3是使用本发明的锂离子电池用定向多孔硅材料制备的锂电池的充放电曲线图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将碳酸钠与氧化亚硅混合，得到混合料；
S2、将混合料进行升温反应，清洗，得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
实施例2
一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氧化亚硅加入到三维混料机中，随后依次加入碳酸钠及锆球，料球比控制为10:1，开启三维混料机混合5h，得到混合料；所述氧化亚硅与碳酸钠的质量比为0.2:1.5；所述氧化亚硅的粒径为1-100um；所述碳酸钠的粒径为1-100um；
S2、将混合料转移到管式炉中，在氩气保护条件下，以10℃/min的升温速率升温，当温度达到800℃时，保温反应6h后用去离子水清洗，烘干后得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
对所得的锂离子电池用定向多孔硅材料进行X射线衍射，其物象结构如图1所示，其中在27°、47°、56°及69°等处的衍射峰分别对应着单质硅的(111)，(220)，(311)和(400)晶面，由上图可知，氧化亚硅与碳酸钠经过高温反应及洗涤处理后，有单质硅生成；
检测本实施例所得的锂离子电池用定向多孔硅材料的孔径分布，结果如图2所示，由图2可知，本实施例所得的锂离子电池用定向多孔硅材料的孔径分布的范围明显增加，且都集中在10nm之下，这对于缩短锂离子的迁移速率及缓解体积变化有较大的作用；
将本实施例所得的锂离子电池用定向多孔硅材料作为负极材料组装成锂离子电池并检测充放电性能，结果如图3所示，由图可见，锂离子电池首次充电容量大于1842mAh/g(0.8V)，首次循环效率为71.2％。
实施例3
一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氧化亚硅加入到三维混料机中，随后依次加入碳酸钠及锆球，料球比控制为2:9，开启三维混料机混合3h，得到混合料；所述氧化亚硅与碳酸钠的质量比为0.3:1；所述氧化亚硅的粒径为1-10um；所述碳酸钠的粒径为1-10um；
S2、将混合料转移到管式炉中，在氮气保护条件下，以4℃/min的升温速率升温，当温度达到900℃时，保温反应3h后用去离子水清洗，烘干后得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
实施例4
一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氧化亚硅加入到三维混料机中，随后依次加入碳酸钠及锆球，料球比控制为8:3，开启三维混料机混合4h，得到混合料；所述氧化亚硅与碳酸钠的质量比为0.8:0.5；所述氧化亚硅的粒径为1-10um；所述碳酸钠的粒径为1-100um；
S2、将混合料转移到管式炉中，在氩气保护条件下，以8℃/min的升温速率升温，当温度达到1100℃时，保温反应5h后用去离子水清洗，烘干后得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
实施例5
一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将氧化亚硅加入到三维混料机中，随后依次加入碳酸钠及锆球，料球比控制为1:10，开启三维混料机混合2h，得到混合料；所述氧化亚硅与碳酸钠的质量比为1:0.5；所述氧化亚硅的粒径为1-100um；所述碳酸钠的粒径为1-10um；
S2、将混合料转移到管式炉中，在氮气保护条件下，以2℃/min的升温速率升温，当温度达到1200℃时，保温反应2h后用去离子水清洗，烘干后得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用定向多孔硅材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将碳酸钠与氧化亚硅混合，得到混合料；
S2、将混合料进行升温反应，清洗，得到锂离子电池用定向多孔硅材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，氧化亚硅与碳酸钠的质量比为0.2-1:0.5-1.5。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，氧化亚硅的粒径为1-100um。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，S1中，氧化亚硅的粒径为1-10μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，碳酸钠的粒径为1-100um；优选地，S1中，碳酸钠的粒径为1-10μm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，S1中，采用三维混料罐混合。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，升温反应过程中使用惰性气体保护；优选地，所述惰性气体为氩气、氮气中的至少一种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，S2中，升温速率为2-10℃/min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，反应温度为800-1200℃。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，S2中，反应时间为2-6h。
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