CN110649238B - 一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种硅基Si‑C负极材料及其电化学合成方法和应用，属于电池负极材料制备领域。该电化学方法以冶金硅和二氧化碳为原料，在CaCl2‑CaO基盐中，以静态冶金硅或动态旋转的冶金硅作为阴极，以石墨棒或惰性材料作为阳极，在阴极和阳极之间施加高于氧化钙分解并低于熔盐分解的电压，电解后，通入CO2，静置，后处理后，得到硅基Si‑C负极材料，该方法通过盐的组分，合成温度、合成时间、分解电压和阴极旋转速率，调控硅基Si‑C负极材料中硅和碳的分布，调控产物形貌和颗粒尺寸。该方法实现了低成本、调控制备硅基Si‑C负极材料，操作过程简单。制备的锂离子电池具有良好的比容量和循环性能。

Description

一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用
技术领域
本发明涉及电池负极材料制备领域，具体涉及一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用。
背景技术
随着便携式电子器件和电动汽车的使用量增加，发展高能量密度的锂离子电池成为迫切需求。石墨是目前商业化的锂离子电池负极材料，其理论容量为372mAh/g，无法满足下一代锂离子电池的高容量需求。因此急切需要开发出一种高容量，高功率密度的负极材料来代替石墨。硅作为锂离子电池负极材料，理论容量高达4200mAh/g，储量丰富，价格便宜，具有较低的嵌/脱锂电位等优势而备受关注。然而，硅在充放电时体积变化超过300％，会造成硅材料本身断裂和粉化而失去电接触活性，导致充放电倍率性能劣化，库伦效率降低等问题。除此之外，硅是一种半导体，不具备良好的导电性。
目前用来解决硅体积膨胀的方式有纳米化、多孔化、掺杂改性等，但是这种解决办法也会带来硅团聚的副作用。一般会通过包覆缓解纳米化带来的副作用。其中，将硅与碳结合形成各种结构的硅碳复合材料是较为常见的一种方式。在硅碳复合材料中，碳不仅可以有效提高电极导电性，还能缓冲硅颗粒在循环过程中的体积变化，提高了电极的循环寿命。但是在目前已有的硅碳复合材料中，大多数是将硅颗粒与碳简单的机械混合，或者将硅分散在酚醛树脂、PVA、柠檬酸、硬脂酸、葡萄糖、蔗糖、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇等有机碳源中进行煅烧包覆。经煅烧后形成的无定形碳隔绝了硅与电解液的接触，提高了材料稳定性，但仍存在硅碳分布不均匀，硅颗粒容易团聚，导电性不足，容易导致欧姆极化等问题。同时，上述硅碳复合材料的制备过程，工艺复杂、生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用，该电化学方法以硅原料和二氧化碳为原料，在CaCl2-CaO基盐中，以静态硅原料或动态旋转的硅原料作为阴极，以石墨棒或惰性材料作为阳极，在阴极和阳极之间施加高于氧化钙分解并低于熔盐分解的电压，电解后，通入CO2，静置，后处理后，电化学合成得到硅基Si-C负极材料，该方法通过盐的组分，合成温度、合成时间、分解电压和阴极旋转速率，调控硅基Si-C负极材料中硅和碳的分布，调控产物形貌和颗粒尺寸。该方法实现了低成本、调控制备硅基Si-C负极材料，操作过程简单。制备的硅基Si-C负极材料，硅、碳分布均匀，硅颗粒尺寸可控，制备的锂离子电池具有良好的比容量和循环性能。
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，包括以下步骤：
步骤1：准备
(1)将硅原料、阳极材料、CaCl2-CaO基盐原料分别烘干；
将硅原料作为阴极；
将阳极材料和不锈钢丝连接，作为阳极；
将烘干的CaCl2-CaO基盐，置于反应器的内嵌坩埚中，密封；
(2)向反应器内通入惰性气体，保持反应器惰性气氛，并维持正压，在通入惰性气体的同时，将反应器升温；
步骤2：电化学反应
(1)当反应器升温至合成温度，恒温至熔盐熔化为液态后，将阴极和阳极插入熔融的熔盐中；其中，合成温度为600～900℃；
(2)接通电源，施加电解电压，进行恒电压或恒电流密度电解，电解完成后，停止电解，将阴极和阳极提离电解后的熔盐；其中，电解电压V为CaCl2-CaO熔盐中氧化钙分解电压<V<CaCl2-CaO熔盐中CaCl2分解电压；
步骤3：通入CO2
向反应器的电解后的熔盐中，通入流量≤400mL/min的CO2，使得电解后的熔盐和CO2充分接触，静置1～2h，得到产物；
步骤4：后处理
将产物流入冷却坩埚冷却后，磨碎、酸洗除盐、过滤、水洗固体、烘干，得到硅基Si-C负极材料。
所述的步骤1(1)中，所述的硅原料为冶金硅和/或硅废料铸锭；所述的硅废料铸锭优选为多晶硅切割废料、单晶硅切割废料或硅基太阳能电池回收的硅中的一种或几种。
所述的步骤1(1)中，所述的硅原料为静态时，其采用不锈钢丝连接，所述的不锈钢丝为铁铬铝合金丝；所述的硅原料为动态旋转时，其采用钼丝将硅原料和旋转装置的金属集流体连接。
所述的步骤1(1)中，所述的阳极材料为石墨或惰性材料。
所述的步骤1(1)中，硅原料为硅原料切割成的硅片。
所述的步骤1(1)中，CaCl2-CaO基盐为CaCl2-CaO盐、或CaCl2-CaO与氯化物的混合盐；所述的氯化物为氯化钠、氯化钾、氯化镁中的一种或几种。
所述的步骤1(1)中，CaCl2-CaO基盐中，按摩尔比，CaCl2：CaO≥10：3。
所述的步骤1(1)中，将原料分别烘干，其中，烘干工艺为：将原料置于高温真空干燥炉中，在300～400℃，压力-0.1MPa以下，干燥10～15h，去除吸附水和部分结晶水，得到烘干的CaCl2-CaO基盐。
所述的步骤1(1)中，内嵌坩埚为石墨坩埚或镍坩埚。
所述的步骤1(2)中，惰性气体为氩气或氩气-氮气混合气体；当为氩气-氮气混合气体时，按体积比，氩气：氮气≥1。
所述的步骤2(1)中，反应器置于电阻丝炉中，升温，电阻丝炉升温速率为3～10℃/min。
所述的步骤2(2)中，电解电压<3.2V。
所述的步骤2(2)中，电解时间优选为1～5h。
所述的步骤2(1)中，合成温度≥盐熔化温度+(10～20)℃。
所述的步骤2中，电解的同时，启动硅原料阴极旋转，旋转速度为0～700r/min。
所述的步骤2中，硅原料阴极旋转，采用调频电动机转动旋转装置。
所述的步骤3中，CO2的体积纯度≥99.99％。
所述的步骤3中，CO2还可以为CO2与Ar气混合气体。
所述的步骤3中，通入CO2的时间为1～2h。
所述的步骤4中，产物流入冷却坩埚后，反应器密封，降温，停止通入惰性气体。
所述的步骤4中，酸洗除盐所用的酸为0.1～0.2mol/L的盐酸。
所述的步骤4中，水洗所用的水为去离子水。
所述的步骤4中，烘干为50～80℃真空干燥。
一种硅基Si-C负极材料，采用上述电化学合成方法制得。
制备的硅基Si-C负极材料颗粒粒径为30nm～5μm；当为静态硅原料阴极时，硅基Si-C负极材料颗粒粒径为0.5～5μm，当为动态旋转的硅原料阴极时，硅基Si-C负极材料颗粒粒径为30nm～300nm。
一种负极材料，包括上述硅基Si-C负极材料。
一种负极材料，还包括导电剂、粘结剂、溶剂。
一种电极极片，包括上述负极材料。
一种锂离子电池，以上述电极极片作为负极。
当硅基Si-C负极材料的颗粒粒径为0.5～5μm时，其制备的锂离子电池，其在0.1A·g-1电流密度下，首次充放电库伦效率77％～79％，首次放电容量为2750～3100mAh/g，循环400圈，可逆循环比容量1200～1540mAh/g；当硅基Si-C负极材料的颗粒粒径为30nm～300nm时，其制备的锂离子电池，0.1A·g-1电流密度下，首次充放电-库伦效率74％～78％，首次放电容量为1680～3130mAh/g，循环500圈，可逆循环比容量950～1510mAh/g。
本发明的一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用，其原理涉及的具体反应为：具体反应为：
阳极反应：xO2-+C–2xe→COx(x＝1,2)
或惰性阳极2O2-–4e→O2
阴极反应：Ca2++2e→Ca
热力学计算表明：化学反应Ca+2Si＝CaSi2，2CaSi2+CO2(g)＝4Si+C+2CaO能够自发进行。本电化学方法阴极反应阴极硅上生成的金属钙会与阴极硅形成钙-硅共溶体中间产物，形成的钙-硅共溶体活性高于CaSi2，且钙-硅共溶体能溶解到熔盐中，溶解在熔盐中的钙-硅共溶体和通入的CO2，生成硅基Si-C负极材料，而且实际上硅化钙合金在氯化钙中有一定溶解度。利用氯化钙溶解硅钙合金和电极旋转控制其与二氧化碳的反应速度，同时通过氯化钙熔盐作溶剂控制产物颗粒的生长，这将有利于控制硅基Si-C负极材料合成过程，获得性能优良的硅基Si-C负极材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实例中，除非特殊说明，采用的原料和设备均为市购，纯度为分析纯及以上；具体为采用的硅原料、石磨棒为市购产品。采用的陶瓷研钵、镍坩埚、不锈钢坩埚为市购产品，采用的搅动装置为自制物品。采用的CaCl2、CaO及其它氯化盐其纯度为分析纯。
本发明实施例中，搅动装置包括动态电极集流体杆、密封油杯等，其中动态电极集流体杆由金属集流体杆内嵌在空心绝缘刚玉管内构成。金属集流体杆顶端由绝缘材料包覆，包覆与嵌套其的空心绝缘刚玉管之间有部分裸露出来，用于连接电刷，实现电源与金属集流体杆的连接。
本发明实施例中，反应器的出气口通过管道延伸至反应器外部的水池内液面的下方，当氩气持续流通时，有气泡冒出。
本发明实施例中对电阻丝炉升温是对电阻丝炉内的反应器进行加热。
本发明实施例中合成温度为高于熔盐熔化温度10-20℃。
实施例1
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，按以下步骤进行；
(1)将CaCl2、CaO、NaCl、切割好的冶金级硅片、石墨棒分别置于高温真空干燥炉中，在温度400℃和压力-0.1MPa以下，干燥12h，除去吸附水和部分结晶水。
(2)用铁铬铝丝与石墨棒连接起来构成阳极，并穿过反应器盖；用钼丝将切割好的硅原料片与连接在反应器盖上的搅动装置的金属集流体杆连接起来构成阴极。
(3)在氩气气体环境下称量500±0.1gCaCl2、50±0.1gCaO、100±0.1gNaCl，混匀后倒入置于电阻丝炉内的反应器的内嵌镍坩埚中，用反应器盖将反应器密封。
(4)将反应器置于电阻丝炉中，从反应器进气口通入氩气，从反应器出气口排出氩气，保证反应器内为正压，电阻丝炉以5℃/min升温。
(5)升温到合成温度750℃，恒温5h，当熔盐融化为液态时插入阴极和阳极，连接电源，启动搅动装置，使硅原料阴极旋转，调整转速为400r/min，施加3.0V电压进行恒压电解氧化钙，而不电解氯化盐，电解3h后停止电解，将阴、阳电极提离熔盐。
(6)从反应器盖的另一个进气口向熔盐中通入CO2和氩气的混合气体，CO2流量为20mL/min，通气2h后停止，静置2h。
(7)用加热器升温反应器出盐管至750℃使出盐管中的盐熔化，盐靠重力从出盐口自动流出，储存在冷却不锈钢坩埚中冷却。
(8)出盐管中剩少量盐，停止加热出盐管，残留的盐冷却自动密封出盐口，待电阻丝炉降温至室温，停止通氩气。
(9)从冷却的不锈钢坩埚中取出冷却的盐，在陶瓷研钵中磨碎，用0.1mol/L的盐酸进行酸洗除盐，将酸洗后的产物过滤，再用去离子水进行清洗除酸，最后在80℃的的真空干燥箱中干燥12h制得硅基Si-C负极材料，封装待用。
(10)将制得的硅基Si-C负极材料作为锂离子电池负极材料测试电化学性能。
实用例1
按质量比，硅基Si-C负极材料：导电剂乙炔黑：粘结剂PVDF＝6：2：2比例，将实施例1制备的颗粒粒径尺寸在30～300纳米的硅基Si-C负极材料与导电剂乙炔黑以及粘结剂PVDF进行均匀混合，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮制备成浆料，浆料涂于铜箔集流体上，得到电极片。
将电极片置于真空干燥中，以80℃干燥12h，待电极片完全干燥后，把电极片冲成直径为12mm的圆片电极片。
将得到的圆片电极片作为负极，金属锂片作为正极，Celgard2400作为隔膜，EC/DMC(1:1)-LiPF6(1M)为电解液，在手套箱中进行电池组装。
使用蓝CT2001A型电池测试系统以0.01～1.5V电压范围内进行恒电流充放电测试。电化学测试结果表明，以0.1A·g-1电流密度进行充放电测试，首次放电比容量为1686.4mAh·g-1，库伦效率为74％，在500次循环后，电池的可逆循环比容量为956.7mAh·g-1，库伦效率保持在95％。
实施例2
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为760℃；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在50～280纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2908.4mAh·g-1，库伦效率为76％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1400.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例3
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(5)中，搅动速度调整为500r/min；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在30～200纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2987.5mAh·g-1，库伦效率为76％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1346.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例4
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在40～300纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2896.4mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1431.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例5
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在60～300纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2997.8mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1208.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例6
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(5)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在50～270纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2807.6mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1375.4mAh·g-1，库伦效率保持在98％。
实施例7
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(5)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在50～270纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3128.7mAh·g-1，库伦效率为76％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1507.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例8
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在30～250纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2786.4mAh·g-1，库伦效率为76％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1432.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例9
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在60～300纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3076.5mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1233.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例10
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(5)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在60～290纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2947.5mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1267.2mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例11
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(5)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在60～300纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2867.4mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1304.6mAh·g-1，库伦效率保持在98％。
实施例12
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(5)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在40～290纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2768.5mAh·g-1，库伦效率为76％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1305.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例13
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化镁；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在80～290纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2896.7mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1256.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例14
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化镁；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在60～280纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3008.5mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1406.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例15
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(5)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在30～250纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2807.6mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1334.2mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例16
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(5)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在30～250纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2899.2mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1378.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例17
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(3)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(5)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(5)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(5)中，电解电压调整为2.8V；
(5)步骤(6)中，CO2流量调整为30mL/min；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在30～220纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2756.1mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1406.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例18
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例1，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
(5)步骤(5)中，搅动速度调整为500r/min；
(6)步骤(6)中，CO2流量调整为30ml/min；
其他方式相同，制得颗粒粒径尺寸在30～250纳米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2893.4mAh·g-1，库伦效率为75％，以0.1A·g-1电流密度进行500次循环后，电池的可逆循环比容量为1304.8mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例19
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，按以下步骤进行；
(1)将CaCl2、CaO、NaCl、切割好的冶金级硅片、石墨棒分别置于高温真空干燥炉中，在温度400℃和压力-0.1MPa以下，干燥12h，除去吸附水和部分结晶水。
(2)用铁铬铝丝分别与冶金级硅片和石墨棒连接组成阴极和阳极，并穿过反应器盖。在氩气气体环境下称量500±0.1gCaCl2、50±0.1gCaO、100±0.1gNaCl，混匀后倒入置于电阻丝炉内的反应器的内镍嵌坩埚中，用反应器盖将反应器密封。
(3)将反应器置于电阻丝炉中，从反应器进气口通入氩气，从反应器出气口排出氩气，保证反应器内为正压，电阻丝炉以5℃/min升温。
(4)升温到合成温度750℃，恒温5h，当熔盐融化为液态时插入阴极和阳极，连接电源，施加3.0V电压进行恒压电解氧化钙，而不电解氯化盐，电解3h后停止电解，将电极提离熔盐。
(5)从反应器盖的另一个进气口向熔盐中通入CO2和氩气的混合气体，CO2流量为20ml/min，通气2h后停止，静置2h。
(6)用加热器升温反应器出盐管至750℃使出盐管中的盐熔化，盐靠重力从出盐口自动流出，储存在冷却不锈钢坩埚中冷却。
(7)出盐管中剩少量盐，停止加热出盐管，残留的盐冷却自动密封出盐口，待电阻丝炉降温至室温，停止通氩气。
(8)从冷却的不锈钢坩埚中取出冷却的盐，在陶瓷研钵中磨碎，用0.1mol/L的盐酸进行酸洗除盐，将酸洗后的产物过滤，再用去离子水进行清洗除酸，最后在80℃的的真空干燥箱中干燥12h制得硅基Si-C负极材料，封装待用。
(9)将制得的硅基Si-C负极材料作为锂离子电池负极材料测试电化学性能。
实用例2
将实施例19制备的颗粒粒径尺寸在0.5～2微米的硅基Si-C负极材料与导电剂乙炔黑以及粘结剂PVDF按质量比，硅基Si-C负极材料：导电剂乙炔黑：粘结剂PVDF＝6：2：2比例进行均匀混合，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮制备成浆料，浆料涂于铜箔集流体上，得到电极片。
将电极片置于真空干燥中，以80℃干燥12h，待电极片完全干燥后，把电极片冲成直径为12mm的圆片电极片。
将得到的圆片电极片作为负极，金属锂片作为正极，Celgard2400作为隔膜，EC/DMC(1:1)-LiPF6(1M)为电解液，在手套箱中进行电池组装。
使用蓝CT2001A型电池测试系统以0.01～1.5V电压范围内进行恒电流充放电测试。电化学测试结果表明，以0.1A·g-1电流密度进行充放电测试，首次放电2927.5mA·h·g-1，在400次循环后，电池的可逆循环比容量为1225.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例20
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为760℃；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.6～4微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例2的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2968.1mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1346.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例21
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～4微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3077.3mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1284.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例22
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～3微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3005.4mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1536.2mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例23
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(4)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～4微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2768.5mAh·g-1，库伦效率为79％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1426.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例24
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2869.1mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1367.2mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例25
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～2微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2937.5mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1503.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例26
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在2～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3066.2mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1207.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例27
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(4)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在2～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2992.5mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1296.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例28
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为760℃；
(3)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2896.7mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1305.1mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例29
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(4)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～2微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2958.6mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1322.5mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例30
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在2～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2999.8mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1392.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例31
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在3～5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2945.7mAh·g-1，库伦效率为79％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1402.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例32
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(4)中，电解电压调整为2.9V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～1微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2756.4mAh·g-1，库伦效率为79％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1305.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例33
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～1微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2998.5mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1228.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例34
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(2)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(3)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(4)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
(5)步骤(5)中，CO2流量调整为30mL/min；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～3微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2993.7mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1300.7mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例35
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(1)中，将冶金级硅片替换为单晶硅废料切片；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.6～2.5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2863.7mAh·g-1，库伦效率为77％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1296.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例36
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(1)中，将冶金级硅片替换为单晶硅废料切片；
(2)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(3)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(4)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(5)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
(6)步骤(5)中，CO2流量调整为30mL/min；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.7～3微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2894.7mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1288.4mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例37
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(1)中，将冶金级硅片替换为多晶硅废料切片；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在0.5～2.8微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为3000.7mAh·g-1，库伦效率为78％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1306.1mAh·g-1，库伦效率保持在99％。
实施例38
一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，同实施例19，不同点在于：
(1)步骤(1)中，将冶金级硅片替换为多晶硅废料切片；
(2)步骤(2)中，将100g氯化钠更换为100g氯化钠、100g氯化钾、100g氯化镁；
(3)步骤(4)中，合成温度为800℃；
(4)步骤(4)中，电解时间调整为2h；
(5)步骤(4)中，电解电压调整为2.8V；
(6)步骤(5)中，CO2流量调整为30mL/min；
其他方式相同。
制得颗粒粒径尺寸在1～2.5微米的硅基Si-C负极材料，将硅基Si-C负极材料以应用例1的方式制备锂离子电池，制备的锂离子电池首次放电比容量为2967.2mAh·g-1，库伦效率为79％，以0.1A·g-1电流密度进行400次循环后，电池的可逆循环比容量为1307.6mAh·g-1，库伦效率保持在99％。

Claims (12)

1.一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准备
(1)将硅原料、阳极材料、CaCl2-CaO基盐原料分别烘干；
将硅原料作为阴极；所述的硅原料为冶金硅和/或硅废料铸锭；
将阳极材料和不锈钢丝连接，作为阳极；
将烘干的CaCl2-CaO基盐，置于反应器的内嵌坩埚中，密封；
(2)向反应器内通入惰性气体，保持反应器惰性气氛，并维持正压，在通入惰性气体的同时，将反应器升温；
步骤2：电化学反应
(1)当反应器升温至合成温度，恒温至熔盐熔化为液态后，将阴极和阳极插入熔融的熔盐中；其中，合成温度为600~900℃；
(2)接通电源，施加电解电压，进行恒电压或恒电流密度电解，电解完成后，停止电解，将阴极和阳极提离电解后的熔盐；其中，电解电压V为CaCl2-CaO熔盐中氧化钙分解电压<V<CaCl2-CaO熔盐中CaCl2分解电压；
步骤3：通入CO2
向反应器的电解后的熔盐中，通入流量≤400mL/min的CO2，使得电解后的熔盐和CO2充分接触，静置1~2h，得到产物；
步骤4：后处理
将产物流入冷却坩埚冷却后，磨碎、酸洗除盐、过滤、水洗固体、烘干，得到硅基Si-C负极材料。
2.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的阳极材料为石墨或惰性材料。
3.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，所述的硅原料为静态时，其采用不锈钢丝连接，所述的不锈钢丝为铁铬铝合金丝；所述的硅原料为动态旋转时，其采用钼丝将硅原料和旋转装置的金属集流体连接。
4.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，CaCl2-CaO基盐为CaCl2-CaO盐、或CaCl2-CaO与氯化物的混合盐；所述的氯化物为氯化钠、氯化钾、氯化镁中的一种或几种；CaCl2-CaO基盐中，按摩尔比，CaCl2：CaO≥10：3。
5.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，将原料分别烘干，其中，烘干工艺为：将原料置于高温真空干燥炉中，在300~400℃，压力-0.1MPa以下，干燥10~15h，去除吸附水和部分结晶水，得到烘干的CaCl2-CaO基盐。
6.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的步骤2中，电解的同时，启动硅原料阴极旋转，旋转速度为0~700r/min。
7.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，所述的步骤3中，CO2使用CO2与Ar混合气体替换。
8.根据权利要求1所述的硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，其特征在于，通入CO2的时间为1~2h。
9.一种硅基Si-C负极材料，其特征在于，采用权利要求1~8任意一项所述的电化学合成方法制得；制备的硅基Si-C负极材料颗粒粒径为30nm~5μm；当为静态硅原料阴极时，硅基Si-C负极材料颗粒粒径为0.5~5μm，当为动态旋转的硅原料阴极时，硅基Si-C负极材料颗粒粒径为30nm~300nm。
10.一种负极材料，其特征在于，包括权利要求9所述的硅基Si-C负极材料；所述的负极材料，还包括导电剂、粘结剂、溶剂。
11.一种电极极片，其特征在于，包括权利要求10所述的负极材料。
12.一种锂离子电池，其特征在于，以权利要求11所述的电极极片作为负极；当硅基Si-C负极材料的颗粒粒径为0.5~5μm时，其制备的锂离子电池，其在0.1A·g-1电流密度下，首次充放电库伦效率77%~79%，首次放电容量为2750~3100mAh/g，循环400圈，可逆循环比容量1200~1540mAh/g；当硅基Si-C负极材料的颗粒粒径为30nm~300nm时，其制备的锂离子电池，0.1A·g-1电流密度下，首次充放电-库伦效率74%~78%，首次放电容量为1680~3130mAh/g，循环500圈，可逆循环比容量950~1510mAh/g。
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