CN108832115A - 锂离子电池、纳米硅材料及制备方法 - Google Patents

锂离子电池、纳米硅材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，包括步骤：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。采用上述方法制备得到纳米硅，并作为负极材料应用在锂离子电池上，能有效提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。

Description

锂离子电池、纳米硅材料及制备方法
技术领域
本发明涉及到半导体材料领域，特别是涉及到一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法。
背景技术
根据工信部的《节能与新能源汽车技术路线图》的要求，到2020年纯电动汽车动力电池单体能量密度要超过300Wh/kg。而传统的石墨负极材料，其理论容量仅为372mAh/g，基本无法达到300Wh/kg的能量密度目标。因此目前动力电池行业提高锂离子电池能量密度的大势所趋是采用高容量的纳米硅材料。
然而，目前的作为电池负极的纳米硅材料仍然处于试验阶段，这是由于硅作为锂离子电池负极材料还具有以下两个问题没有得到解决：(1)在充放电过程中体积变化过大(>300％)，从而导致材料粉化，导致首次库伦效率过低，并且循环过程容量衰减严重(2)硅为半导体材料，其本征电导率过低，仅为4.7x10-3S/m,导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度大，进一步降低了首次库伦效率，并且对其倍率与循环性能不利。针对以上问题，材料以及锂离子电池领域的专家们进行了大量的研究，研究发现将纳米级的硅颗粒在充放电过程中的形貌保持较为完整，并且以高导电性的碳、导电聚合物或者金属与纳米硅进行复合，来提高纳米硅的电导率。然而复合材料不可避免的存在一定的界面问题，而且复合材料并没有从本质上改变纳米硅的导电性，在充放电过程中，导电性较差的纳米硅仍会影响锂离子电池的整体电化学性能。因此提高纳米硅的导电性，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命仍是业内亟需解决的难题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种锂离子电池、纳米硅材料及制备方法，通过提供一种高导电性的纳米硅材料并应用在锂离子电池上，从而提高锂离子电池的首次库伦效率、倍率性能、循环寿命。
为了实现以上目的，本发明提出了一种纳米硅材料的制备方法，包括步骤：
将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；
将混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；
取出反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；
将粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。
进一步地，掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种。
进一步地，二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)。
进一步地，指定升温速率为2—10℃/min；指定温度为600—1200℃；高温反应时间为1—6h；
进一步地，分散剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合。
进一步地，粗颗粒硅与分散剂的质量比范围为1：(5—10)。
进一步地，指定研磨工艺包括球磨和砂磨，球磨的转速为30-100rpm；球磨的时间为0.5-3h，砂磨的转速为1000-3000rpm，砂磨的时间为30-60h。
进一步地，纳米硅的平均粒径为50-300nm。
本发明还提出了一种锂离子电池，包括上述的纳米硅材料的制备方法制备得到的纳米硅材料。
进一步地，还包括负极片和电解液；负极片中纳米硅材料、导电剂、粘结剂的质量比例为80:10:10；电解液为LiPF6的有机溶液，电解液的摩尔浓度范围包括1.2mol/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用杂原子掺杂的方式，提高纳米硅材料中载流子的浓度，从而提高纳米硅材料本征粉末电导率。与现有的通过复合材料提高纳米硅材料电导率的方法相比，从纳米硅材料的本征上提高了其电导率，避免了复合材料的界面问题以及导致负极容量降低的问题。所得的纳米硅材料应用在锂离子电池上，首次库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长。并且将杂原子掺杂的过程与镁热还原过程合二为一，可以利用镁热还原放出的大量热量提高反应体系温度，促进杂原子在硅材料中的扩散，同时在单质硅形成时即发生杂原子掺杂，掺杂均匀且效率高，简化了工艺流程的同时也起到了节约能源的效果，此外掺杂剂的加入还可以抑制镁热还原反应体系的温度飙升，抑制副反应的产生，所采用的原料低廉易得、工序简单、后处理容易，大大降低了生产成本，利于放大化生产。
附图说明
图1为本发明纳米硅材料中低温镁热还原制备纳米硅材料的流程图。
图2为本发明一实施例所制备的纳米硅材料的SEM图。
图3为本发明一实施例所制备的纳米硅材料的粉末电导率随压力的变化图。
图4为本发明一实施例所制备的纳米硅材料所对应的锂离子电池的充放电曲线图。
图5为本发明一实施例所制备的纳米硅材料所对应的锂离子电池的循环性能图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明一实施例的纳米硅材料的制备方法，包括：
S1：将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照一定的质量比混合均匀，得到混合物。
本实施例的所述二氧化硅颗粒的平均粒径为10-2000μm；所述镁金属为金属镁粉，纯度>98％，其平均粒径为10-2000μm；所述掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种；所述二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)，所述二氧化硅、镁金属、掺杂剂的混合方式为机械搅拌混合、VC机混合、球磨混合中的任意一种或几种的混合。
本实施例采用机械混合方式混合均匀，有利于镁热还原反应均匀进行，也有利于杂原子扩散掺杂。
S2:将混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物。
本实施例所述高温反应炉为管式炉、箱式炉、回转炉、窑炉中的任意一种；所述惰性气体为氩气、氮气、氢气的任意一种或至少两种的组合；所述指定升温速率为2—10℃/min；所述指定温度为600—1200℃；所述高温反应时间为1—6h。
本实施例中将杂原子掺杂的过程与镁热还原过程合二为一，可以利用镁热还原放出的大量热量提高反应体系温度，促进杂原子在硅材料中的扩散，同时在单质硅形成时即发生杂原子掺杂，掺杂均匀且效率高，简化了工艺流程的同时也起到了节约能源的效果，此外掺杂剂的加入还可以抑制镁热还原反应体系的温度飙升，抑制副反应的产生，所采用的原料低廉易得、工序简单、后处理容易，大大降低了生产成本，利于放大化生产。
S3：取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅。
本实施例所述的酸洗所用的酸为氢氟酸以及盐酸、硫酸、硝酸、硼酸、磷酸、醋酸、氢溴酸中的任意一种或至少两种的组合，优选地，所述的酸浓度为3mol/L-8mol/L；所述的初步水洗次数为3次，水用量与反应产物质量比范围为(10-50)：1，每次水洗的时间为3-8h；所述的酸洗次数为3次，酸溶液用量与反应产物质量比范围为(10-30)：1；所述的水洗后的反应产物每次与酸反应的时间为12-24h；所述的酸洗后的再水洗，清洗至清液的PH≥5。
本实施例先水洗，除掉可溶性杂质，同时反应除掉反应副产物MgSi，酸洗除去残余的SiO2以及MgO，再次水洗除去残留的酸。
S4：将粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。
本实施例所述分散剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合；所述粗颗粒硅与所述分散剂的质量比范围为1：(5—10)；所述指定研磨工艺包括球磨和砂磨，所述粗颗粒硅与球磨氧化锆球的质量比为1：(20-40)，所述球磨的转速为30-100rpm，所述球磨的时间为0.5-3h；所述砂磨氧化锆球粒径为0.1-1mm，所述砂磨的转速为1000-3000rpm，所述砂磨的时间为30-60h；所述纳米硅的平均粒径为50-300nm。
本实施例中的球磨、砂磨将粗颗粒硅磨至纳米硅，同时加入分散剂，可防止在砂磨过程中Si被氧化，同时起到分散纳米硅的作用，防止纳米硅团聚。
本发明还提供了一种锂离子电池，包括上述的纳米硅材料的制备方法制备得到的纳米硅材料。本实施例的锂离子电池，还包括负极片和电解液；所述负极片中纳米硅材料、导电剂、粘结剂的质量比例为80:10:10；所述电解液为LiPF6的有机溶液，所述电解液的摩尔浓度范围包括1.2mol/L。
本实施例的纳米硅材料的制备过程如下：
将平均粒径为10-2000μm的二氧化硅、纯度>98％、平均粒径为10-2000μm镁金属、掺杂剂按照1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)的质量比机械搅拌混合均匀；将混合物置于管式炉、箱式炉、回转炉、窑炉中的任意一种的高温反应炉中，通入氩气、氮气、氢气的任意一种或至少两种的组合的惰性气体，在2—10℃/min的升温速率下升至600—1200℃，高温反应1—6h后，自然降温至室温，得到反应产物；取出所述反应产物进行三次初步水洗，水用量与反应产物质量比范围为(10-50)：1，每次水洗的时间为3-8h；初步水洗后在氢氟酸以及盐酸、硫酸、硝酸、硼酸、磷酸、醋酸、氢溴酸中的任意一种或至少两种的组合中进行三次酸洗，酸浓度为3mol/L-8mol/L，酸溶液用量与反应产物质量比范围为(10-30)：1；酸洗之后再水洗，清洗至清液的PH≥5；烘干，得到粗颗粒硅。将粗颗粒硅与分散剂按照1：(5—10)的质量比混合均匀，分散剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合；然后进行球磨，粗颗粒硅与球磨氧化锆球的质量比为1：(20-40)，球磨的转速为30-100rpm，球磨的时间为0.5-3h；砂磨，砂磨氧化锆球的粒径为0.1-1mm，砂磨的转速为1000-3000rpm，砂磨的时间为30-60h；干燥、过筛，得到平均粒径为50-300nm的纳米硅。
实施例1
一种纳米硅材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅、金属镁粉、氧化硼按照一定的质量比，机械搅拌混合后，加入不锈钢球磨罐中，球磨混合均匀；
在一些实施例中，二氧化硅和镁粉的平均粒径为600μm；二氧化硅、镁粉和氧化硼的质量比为1:0.7:0.06；二氧化硅、镁粉和氧化硼的总质量为352g；球磨时间为10min。
(2)将混合均匀的物料取出，放入加盖的不锈钢坩埚中，置于高温反应炉中，高温反应后，自然降温至室温，得到含有硅的反应产物；
在一些实施例中，高温反应炉为箱式高温炉；升温速率为5℃/min；反应温度为800℃；高温反应时间为2h。
(3)取出物料，进行水洗，然后加入盐酸，搅拌均匀后，浸泡，抽滤，然后再加入氢氟酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，再加入盐酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，水洗至洗涤液PH≥5，抽滤、烘干，得到粗颗粒的硅。
在一些实施例中，水洗的次数为3次；盐酸的浓度为3.5mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为12h；氢氟酸的浓度为3mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为24h；第二次加入盐酸的浓度为3.5mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为12h。
(4)将粗颗粒硅与乙醇按比例混合，得到混合物，二等分加入两个不锈钢球磨罐中，加入氧化锆球，以一定转速球磨后，将混合物转移至砂磨机中，加入氧化锆球，以一定转速砂磨，取出混合物，在惰性气体氛围下烘干，得到含有硼原子的纳米硅。
在一些实施例中，粗颗粒硅与乙醇的质量比为1:10；混合物的质量为715g；球磨罐中氧化锆球的质量为800g，转速是40rpm，研磨时间是1h；砂磨机中的氧化锆球的质量为228g，氧化锆球的粒径是0.2mm，转速是2000rpm，研磨时间是40h；惰性气体是氮气；纳米硅的粒径是236nm，粉末导电率是1.7S/m。
实施例2
一种纳米硅材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅、金属镁粉、氧化硼按照一定质量比，机械搅拌混合后，加入不锈钢球磨罐中，球磨混合均匀；
在一些实施例中，二氧化硅和镁粉的平均粒径为10μm；二氧化硅、镁粉和氧化硼的质量比为1:0.6:0.07；二氧化硅、镁粉和氧化硼的总质量为33.4g；球磨时间为20min。
(2)将混合均匀的物料取出，放入加盖的不锈钢坩埚中，置于高温反应炉中，高温反应后，自然降温至室温，得到含有硅的反应产物；
在一些实施例中，高温反应炉为管式高温炉；升温速率为6℃/min；反应温度为700℃；高温反应时间为1.5h。
(3)取出物料，进行水洗，然后加入氢溴酸，搅拌均匀后，浸泡，抽滤，然后再加入氢氟酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，再加入盐酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，水洗至洗涤液PH≥5，抽滤、烘干，得到粗颗粒的硅。
在一些实施例中，水洗的次数为3次；氢溴酸的浓度为3mol/L，质量为668g；浸泡时间为16h；氢氟酸的浓度为3mol/L，质量为668g；浸泡时间为16h；盐酸的浓度为3mol/L，质量为668g；浸泡时间为12h。
(4)将粗颗粒硅与甲苯按照一定质量比例混合，得到混合物，二等分加入两个不锈钢球磨罐中，加入氧化锆球，以一定转速球磨后，将混合物转移至砂磨机中，加入氧化锆球，以一定转速砂磨后，取出混合物，在惰性气体氛围下烘干，得到含有硼原子的纳米硅。
在一些实施例中，粗颗粒硅与乙醇的质量比为1:7；混合物的质量为52.8g；球磨罐中氧化锆球的质量为100g，转速是30rpm，研磨时间是1.5h；砂磨机中的氧化锆球的质量为10g，氧化锆球的粒径是0.1mm，转速是1800rpm，研磨时间是50h；惰性气体是氮气；纳米硅的粒径是57nm，粉末导电率是2.3S/m。
实施例3
一种纳米硅材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅、金属镁粉、氮化硼按照一定质量比，加入VC混合机中进行混合；
在一些实施例中，二氧化硅和镁粉的平均粒径为200μm；二氧化硅、镁粉和氮化硼的质量比为1:0.8:0.15；二氧化硅、镁粉和氧化硼的总质量为185g；混合时间为20min。
(2)将混合均匀的物料取出，放入加盖的不锈钢坩埚中，置于高温反应炉中，高温反应后，自然降温至室温，得到含有硅的反应产物；
在一些实施例中，高温反应炉为箱式高温炉；升温速率为3℃/min；反应温度为900℃；高温反应时间为3h。
(3)取出物料，进行水洗，然后加入硝酸，搅拌均匀后，浸泡，抽滤，然后再加入氢氟酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，再加入盐酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，水洗至洗涤液PH≥5，抽滤、烘干，得到粗颗粒的硅。
在一些实施例中，水洗的次数为3次；硝酸的浓度为4mol/L，质量为3kg；浸泡时间为12h；氢氟酸的浓度为4mol/L，质量为3kg；浸泡时间为24h；盐酸的浓度为4mol/L，质量为3kg；浸泡时间为24h。
(4)将粗颗粒硅与乙二醇按照一定质量比例混合，得到混合物，二等分加入两个不锈钢球磨罐中，加入氧化锆球，以一定转速球磨后，将混合物转移至砂磨机中，加入氧化锆球，以一定转速砂磨后，取出混合物，在惰性气体氛围下烘干，得到含有硼原子的纳米硅。
在一些实施例中，粗颗粒硅与乙醇的质量比为1:9；混合物的质量为380g；球磨罐中氧化锆球的质量为570g，转速是40rpm，研磨时间是2h；砂磨机中的氧化锆球的质量为95g，氧化锆球的粒径是0.3mm，转速是2300rpm，研磨时间是35h；惰性气体是氮气；纳米硅的粒径是343nm，粉末导电率是4.9S/m。
实施例4
一种纳米硅材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅、金属镁粉、五氧化二磷按照一定质量比，加入VC混合机中混合；
在一些实施例中，二氧化硅和镁粉的平均粒径为1000μm；二氧化硅、镁粉和五氧化二磷的质量比为1:1.6:0.08；二氧化硅、镁粉和五氧化二磷的总质量为792g；混合时间为30min。
(2)将混合均匀的物料取出，放入加盖的不锈钢坩埚中，置于高温反应炉中，高温反应后，自然降温至室温，得到含有硅的反应产物；
在一些实施例中，高温反应炉为回转式高温炉；升温速率为2℃/min；反应温度为1000℃；高温反应时间为2h。
(3)取出物料，进行水洗，然后加入硫酸，搅拌均匀后，浸泡，抽滤，然后再加入氢氟酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，再加入硝酸，搅拌均匀，浸泡2，抽滤，水洗至洗涤液PH≥5，抽滤、烘干，得到粗颗粒的硅。
在一些实施例中，水洗的次数为3次；硫酸的浓度为3mol/L，质量为15kg；浸泡时间为24h；氢氟酸的浓度为4mol/L，质量为15kg；浸泡时间为24h；硝酸的浓度为3mol/L，质量为15kg；浸泡时间为24h。
(4)将粗颗粒硅与甲苯按照一定质量比例混合，得到混合物，二等分加入两个不锈钢球磨罐中，加入氧化锆球，以一定转速球磨后，将混合物转移至砂磨机中，加入氧化锆球，以一定转速砂磨后，取出混合物，在惰性气体氛围下烘干，得到含有磷原子的纳米硅。
在一些实施例中，粗颗粒硅与乙醇的质量比为1:7；混合物的质量为1248g；球磨罐中氧化锆球的质量为2.73kg，转速是60rpm，研磨时间是2h；砂磨机中的氧化锆球的质量为468g，氧化锆球的粒径是0.1mm，转速是2500rpm，研磨时间是60h；惰性气体是氮气；纳米硅的粒径是272nm，粉末导电率是6.8S/m。
对比例1
不加掺杂剂，其余与实施例1。
一种纳米硅材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氧化硅、金属镁粉按照一定的质量比，机械搅拌混合后，加入不锈钢球磨罐中，球磨混合均匀；
在一些实施例中，二氧化硅和镁粉的平均粒径为600μm；二氧化硅、镁粉的质量比为1:0.7；二氧化硅、镁粉的总质量为352g；球磨时间为10min。
(2)将混合均匀的物料取出，放入加盖的不锈钢坩埚中，置于高温反应炉中，高温反应后，自然降温至室温，得到含有硅的反应产物；
在一些实施例中，高温反应炉为箱式高温炉；升温速率为5℃/min；反应温度为800℃；高温反应时间为2h。
(3)取出物料，进行水洗，然后加入盐酸，搅拌均匀后，浸泡，抽滤，然后再加入氢氟酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，再加入盐酸，搅拌均匀，浸泡，抽滤，水洗至洗涤液PH≥5，抽滤、烘干，得到粗颗粒的硅。
在一些实施例中，水洗的次数为3次；盐酸的浓度为3.5mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为12h；氢氟酸的浓度为3mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为24h；第二次加入盐酸的浓度为3.5mol/L，质量为5.3kg；浸泡时间为12h。
(4)将粗颗粒硅与乙醇按比例混合，得到混合物，二等分加入两个不锈钢球磨罐中，加入氧化锆球，以一定转速球磨后，将混合物转移至砂磨机中，加入氧化锆球，以一定转速砂磨，取出混合物，在惰性气体氛围下烘干，得到不含杂原子的纳米硅。
在一些实施例中，粗颗粒硅与乙醇的质量比为1:10；混合物的质量为715g；球磨罐中氧化锆球的质量为800g，转速是40rpm，研磨时间是1h；砂磨机中的氧化锆球的质量为228g，氧化锆球的粒径是0.2mm，转速是2000rpm，研磨时间是40h；惰性气体是氮气；纳米硅的粒径是236nm，粉末导电率是1.7S/m。
如图4、图5所示，为负极材料是按照实施例1制备得到的纳米硅作为纳米硅材料，然后制得的锂离子电池的所对应的锂离子电池的充放电曲线图和循环性能图。
按照实施例1至4以及对比例1制备得到的纳米硅材料作为负极材料，以相同的方法制得锂离子电池并测试其比容量、首次库伦效率以及循环性能。本实施例的锂离子电池制作过程如下：
首先将负极材料、导电炭黑以及粘结剂(羟甲基纤维素CMC)按质量比80:10:10的比例充分混合，然后加入一定量的去离子水，去离子水的质量为固体混合物的质量比为6:4，获得负极浆料。然后将负极交流涂布于8μm厚的铜箔上，涂覆厚度为80μm。涂布后的湿极片送入干燥道进行干燥，干燥温度为80℃。然后将极片辊压至65μm厚，真空干燥，制得负极极片，然后以金属锂片作为对电极，以1.2mol/L的LiPF6/EC+DMC+EMC+FEC(体积比为1:1:1:0.1)为电解液，以Celgard2400为隔膜，组装成为2032型纽扣电池，将纽扣电池置于上海慧泰仪器制造有限公司生产的LRH-250型号恒温箱中，设置温度为25℃恒温，在深圳市瑞能实业股份有限公司的RepowerCDS-GGS测试柜上进行充放电测试，0.05C恒流放电至5mV，再恒压放电至电流降为0.02C，静置5min后，恒流放电至2V，静置5min，重复以上充放电过程50次。
如表1所示，为负极材料分别是按照实施例1-4以及对比例1制备得到的纳米硅作为纳米硅材料，然后以相同的方法制得的锂离子电池的比容量、首次库伦效率以及循环性能测试数据。
表1
由表1测试数据可知，掺杂了硼或者磷的实施例1、2、3、4的电池的首次可逆容量、首次库伦效率以及循环寿命，均比没有掺杂硼或者磷的对比例的电池更高，因此这种把掺杂了杂原子的纳米硅作为负极材料的方法，能明显的提高锂离子电池的首次可逆容量、首次库伦效率以及循环寿命。
综上所述，本发明采用杂原子掺杂的方式，提高纳米硅材料中载流子的浓度，从而提高纳米硅材料本征粉末电导率。与现有的通过复合材料提高纳米硅材料电导率的方法相比，从纳米硅材料的本征上提高了其电导率，避免了复合材料的界面问题以及导致负极容量降低的问题。所得的纳米硅材料应用在锂离子电池上，首次库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长。并且所采用的原料低廉易得、工序简单、后处理容易，大大降低了生产成本，利于放大化生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种纳米硅材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将二氧化硅、镁金属、掺杂剂按照指定的质量比混合均匀，得到混合物；
将所述混合物置于高温反应炉中，通入惰性气体后，在指定的升温速率下升至指定温度，高温反应一段时间后，自然降温至室温，得到反应产物；
取出所述反应产物进行初步水洗、酸洗、再水洗，烘干，得到粗颗粒硅；
所述粗颗粒硅与分散剂按照指定的质量比混合均匀，然后按照指定研磨工艺研磨指定时间、干燥、过筛，得到纳米硅。
2.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂为氧化硼、氮化硼、五氧化二磷中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅、镁金属以及掺杂剂的质量比范围为1：(0.6-1.6)：(0.05-0.15)。
4.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述指定升温速率为2—10℃/min；所述指定温度为600—1200℃；所述高温反应时间为1—6h。
5.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、丙酮、苯、甲苯、环己烷中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述粗颗粒硅与所述分散剂的质量比范围为1：(5—10)。
7.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述指定研磨工艺包括球磨和砂磨，所述球磨的转速为30-100rpm。所述球磨的时间为0.5-3h，所述砂磨的转速为1000-3000rpm，所述砂磨的时间为30-60h。
8.根据权利要求1所述的纳米硅材料的制备方法，其特征在于，所述纳米硅的平均粒径为50-300nm。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的纳米硅材料的制备方法制备得到的纳米硅材料。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，还包括负极片和电解液；所述负极片中纳米硅材料、导电剂、粘结剂的质量比例为80:10:10；所述电解液为LiPF6的有机溶液，所述电解液的摩尔浓度范围包括1.2mol/L。
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