CN112582620A - 一种碳包覆硅纳米颗粒材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种碳包覆硅纳米颗粒材料及其制备方法和应用，包括硅纳米颗粒和表面包覆的无定形碳薄膜，所述硅纳米颗粒粒径为1‑50nm,表面无定形碳厚度为0.1‑10nm。本发明以废弃硅晶为硅原料，采用水热方法制备碳包覆硅纳米材料，解决了废弃硅晶回收问题。

Description

一种碳包覆硅纳米颗粒材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池电极材料技术领域，特别涉及一种碳包覆硅纳米颗粒材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代社会对能源需求的激增，针对太阳能、风能以及核能等可替代能源向电能的转化研究得到了不断发展。相应的，为电能储存工具而进行的研究也在不断进行。其中，锂离子电池因具有能量密度高、循环寿命长以及无记忆效应等优点成为重点发展对象。现阶段，科研工作者主要集中在提高锂离子电池的能量密度，以期满足对能量密度要求高的应用需求。因此，具有高达4200mAh g-1理论容量的硅负极吸引了众多科研工作和的注意力。
现阶段，为解决硅材料的低电导率和脱嵌锂过程体积膨胀问题，主要通过对硅材料进行表面碳包覆。具有良好导电性能的表面包覆碳可有效提高硅基负极材料的电导率。同时，表面包覆层还可抑制硅基材料脱嵌锂过程的体积膨胀效应。另外，随着时间的推移，太阳能电池用硅晶圆将会退役，会产生大量废弃硅晶，如何经济合理地回收这些废弃硅晶将是巨大挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳包覆硅纳米颗粒材料及其制备方法和应用，以废弃硅晶为硅原料，采用水热方法制备碳包覆硅纳米材料，解决了废弃硅晶回收问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳包覆硅纳米颗粒材料，包括硅纳米颗粒和表面包覆的无定形碳薄膜，所述硅纳米颗粒粒径为1-50nm,表面无定形碳厚度为0.1-10nm。
一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤；
a.将废弃的硅晶圆碎渣加入到一定浓度的水溶液中，得到溶液A；
b.在溶液A中加入一定量的碳前驱体，搅拌均匀后得到溶液B；
c.将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在一定温度下水热反应一定时间后，得到沉淀C；
d.将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到碳包覆硅纳米颗粒材料。
所述废弃硅晶圆碎渣为太阳能电池用n型，p型及高电阻硅等硅晶，包括单晶及多晶硅。
所述水溶液为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、甲胺、三乙胺、肼、氢氧化四甲铵、碳酸钠、氯化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中任意一种或两种或两种以上配比一起。
所述水溶液中溶质浓度为0.1-20M。
所述步骤b中碳前驱体为葡糖糖、多巴胺等常规碳源中的任意一种。
所述步骤b中碳前驱体浓度为10mM-500mM。
所述步骤c中水热反应温度为120-200℃。
所述步骤c中水热反应时间为12-96h。
所述碳包覆硅纳米颗粒材料应用于锂离子电池负极。
本发明的有益效果：
本发明实现了太阳能电池用硅晶圆的废弃硅的高价值回收利用；实现了锂离子电池硅负极材料的纳米化及碳包覆，解决了硅负极在充放电过程中的体积膨胀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氨水溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应24h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例2
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠水溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应24h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例3
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠和1M氨水混合溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应24h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例4
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠和1M氨水混合溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应48h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例5
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠和1M浓度氨水混合溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在180℃下水热反应96h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例5
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠和1M浓度氨水混合溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在120℃下水热反应12h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。
实施例6
(1)将废弃的硅晶圆碎渣加入到1M浓度的氢氧化钠和1M浓度氨水混合溶液中，得到溶液A。
(2)在溶液A中加入50mM的葡萄糖，搅拌均匀后得到溶液B。
(3)将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在200℃下水热反应96h后，得到沉淀C。
(4)将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到本发明碳包覆硅纳米颗粒材料。

Claims (10)

1.一种碳包覆硅纳米颗粒材料，其特征在于，包括硅纳米颗粒和表面包覆的无定形碳薄膜，所述硅纳米颗粒粒径为1-50nm,表面无定形碳厚度为0.1-10nm。
2.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
a.将废弃的硅晶圆碎渣加入到一定浓度的水溶液中，得到溶液A；
b.在溶液A中加入一定量的碳前驱体，搅拌均匀后得到溶液B；
c.将溶液B转移到不锈钢反应釜中，在一定温度下水热反应一定时间后，得到沉淀C；
d.将沉淀C离心清洗并烘干后，即可得到碳包覆硅纳米颗粒材料。
3.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述废弃硅晶圆碎渣为太阳能电池用n型，p型及高电阻硅等硅晶，包括单晶及多晶硅。
4.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述水溶液为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、甲胺、三乙胺、肼、氢氧化四甲铵、碳酸钠、氯化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸氢钠中任意一种或两种或两种以上配比一起。
5.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述水溶液中溶质浓度为0.1-20M。
6.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中碳前驱体为葡糖糖、多巴胺等常规碳源中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b中碳前驱体浓度为10mM-500mM。
8.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c中水热反应温度为120-200℃。
9.根据权利要求1所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c中水热反应时间为12-96h。
10.基于权利要求1-9所述的一种碳包覆硅纳米颗粒材料，其特征在于，所述碳包覆硅纳米颗粒材料应用于锂离子电池负极。
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