CN113793929A - 一种多孔Si/SiOx复合材料的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，是利用硅‑金属合金的配比对多孔硅材料的结构进行调控，再将多孔硅、SiOx在惰性气氛保护下进行球磨，得到多孔Si/SiOx复合材料。SiOx镶嵌在多孔硅的孔隙里，不但有效提高了材料的循环稳定性，而且提高了电极的振实密度和能量密度。将多孔Si/SiOx复合材料作为锂离子电池负极材料具有良好的循环性能和高的比容量，且本发明具有工艺简单、操作方便，易于规模化生产等优势。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种多孔Si/SiOx复合材料的制备和应用。
背景技术
硅被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一，但在嵌锂/脱锂过程中，其体积变化较大（>300%），导致硅电极粉化，最终导致容量衰减。为了克服硅基负极循环稳定性差的问题，多孔硅材料通常被用于改善其储锂性能。
然而，多孔硅材料存在首次库伦效率低，振实密度低，长循环性能差等问题。为了提高硅负极的电池性能，很多研究者将多孔硅和碳材料，如石墨、石墨烯、碳纳米管等材料进行复合，取得了较好的成功，但电极振实密度低、体积比容量低的问题依然存在，距离大规模商用还有一段距离。另外，普遍认为硅氧化物具有较好缓冲体积膨胀的不可逆相，得到了大规模的研究。因此，开发一种具有高振实密度、高能量密度的新型硅负极复合材料具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法。
本发明的另一个目的是提供所述多孔Si/SiOx复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，大幅提高硅负极的循环稳定性、振实密度和能量密度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
本发明多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）硅-金属合金的制备：将活泼金属和硅进行熔配，冷却后，采用切割和球磨处理，得到硅-金属合金。其中，所述活泼金属为铝、锂、镁、锡中的至少一种；所述活泼金属和硅的熔配温度为180℃～1000℃，熔配时间为0.2～24小时；所述球磨为机械球磨，球磨时间为0.2～24小时，转速为100～2000 rpm；所述硅-金属合金中，活泼金属的含量为5～80%；所述硅-金属合金的粒径为1～100微米。
（2）多孔硅材料的制备：将硅-金属合金在酸溶液中刻蚀，经离心、洗涤和真空干燥后得到具有三维网络结构的多孔硅材料。其中，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的至少一种；所述酸溶液的浓度为0.1～10 mol/L；所述刻蚀反应时间为0.2～24小时；所述多孔硅材料的粒径为1～100微米。
（3）多孔Si/SiOx复合材料的制备：将多孔硅材料和SiOx按照质量比1:0.1～1:20混合，在惰性气氛保护下进行球磨，得到多孔Si/SiOx复合材料。其中，所述SiOx的粒径为10～500纳米；所述SiOx中，x的取值为0<x≤2；所述球磨为机械球磨，球磨时间0.2～24小时，转速为100～2000 rpm；所述多孔Si/SiOx复合材料粒径为1～100微米；所述多孔Si/SiOx复合材料的振实密度为0.1～2.0g cm-3。
本发明将多孔Si/SiOx复合材料制备为电极，具有良好的循环性能和高的比容量，可应用于锂离子电池负极材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明通过调整硅-金属合金的配比和结构，有效调控多孔硅材料的结构和粒径，为锂离子的传输提供更加优异的孔结构。
（2）多孔Si/SiOx复合材料复合材料充分利用了多孔硅的高比容量、SiOx优异的循环稳定性，二者优势互补和良好匹配。SiOx镶嵌在多孔硅孔隙里，有效提高了电极的振实密度和能量密度，电极具有良好的循环性能和高的比容量。
（3）本发明采用了球磨法，具有工艺简单、操作方便，易于规模化生产等特点。
附图说明
图1为实施例1中铝硅合金SEM图；
图2为实施例1中多孔硅材料SEM图；
图3为实施例1中多孔Si/SiOx复合材料SEM图；
图4为实施例1中多孔硅电池循环性能图；
图5为实施例1中多孔Si/SiOx复合材料复合材料电池循环性能图。
具体实施方式
实施例1
1、多孔Si/SiOx复合材料的制备
（1）称取硅粉70g，30g铝粉，进行熔配（熔炼温度700℃、时间8小时），冷却后，采用切割和球磨处理（800 rpm，5小时），得到粒径约2微米铝硅合金（硅含量70%）。。
（2）将铝硅合金置于1 mol/L的盐酸溶液中刻蚀120分钟，经离心、洗涤和80℃真空干燥后，即可得到粒径约2微米的多孔硅材料。多孔硅材料的振实密度为0.46 g cm-3。
（3）将多孔硅材料和20纳米的SiO颗粒按照质量比1:2在球磨机中球磨12小时，转速为1000 rpm，得到粒径约2微米的多孔Si/SiOx复合材料。多孔Si/SiOx复合材料的振实密度为0.85g cm-3。
2、电极片的制备
将得到的多孔Si/SiOx复合材料、乙炔黑、CMC粘结剂按照重量比7:1.5:1.5混合，制备成浆料并将其涂于铜箔集流体上，在真空条件下于60℃干燥12小时得到电极片。以金属锂片为对电极，以1M的LiPF6的EC/EDC（VEC:VDEC=1:1）溶液作为电解液，装配成扣式电池。将组装好的锂离子电池在0.01～2.0V电压范围内以不同的电流密度进行充放电循环测试。
图1为本实施例中的所得到铝硅合金SEM图，从图中可以看出铝硅合金粒径为2微米。图2为本实施例中的所得到的多孔硅材料的SEM图，观察发现刻蚀后形成了三维网络结构。图3为本实施例中的所得到的多孔Si/SiOx复合材料SEM图，观察发现纳米SiOx镶嵌在多孔硅的孔隙里。图4为本实施例中的所得到的多孔硅材料的电池循环性能图，在1 A g-1的电流密度下在第250周仍能保持1580 mAh g-1的可逆容量。图5为本实施例中多孔Si/SiOx复合材料电池循环性能图，在1 A g-1的电流密度下在第300周仍能保持2000 mAh g-1的可逆容量，循环性能明显优于多孔硅材料。
实施例2
（1）称取硅粉50g，50g铝粉，进行熔配（熔炼温度1000℃、时间12小时），冷却后，采用切割和球磨处理（500 rpm，2小时），得到粒径约10微米的铝硅合金（硅含量50%）；
（2）将铝硅合金置于0.5 mol/L的硫酸溶液中刻蚀180分钟，经离心、洗涤和80℃真空干燥后，即可得到粒径约10微米的多孔硅材料。多孔硅材料的振实密度为0.56g cm-3。
（3）将多孔硅材料和50纳米SiO2颗粒按照质量比1:10在球磨机中球磨8小时，转速为800 rpm，得到粒径约10微米的多孔Si/SiOx复合材料。多孔Si/SiOx复合材料的振实密度为0.92g cm-3。
按实施例1中的方法制备电极、组装电池，并进行充放电循环测试。多孔Si/SiOx复合材料电极循环性能测试表明，在1 A g-1的电流密度下在第300周仍能保持1855mAh g-1的可逆容量。
实施例3
（1）称取硅粉40g，60g镁粉，进行熔配（熔炼温度650℃、时间24小时），冷却后，采用切割和球磨处理（200 rpm，10小时），得到粒径约50微米的铝硅合金（硅含量40%）；
（2）将硅镁合金置于2 mol/L的硝酸溶液中刻蚀60分钟，经离心、洗涤和80℃真空干燥后，即可得到粒径约50微米的多孔硅材料。多孔硅材料的振实密度为0.52g cm-3。
（3）将多孔硅材料和100纳米SiO1.5颗粒按照质量比1：10在球磨机中球磨5小时，转速为500 rpm，得到粒径约50微米的多孔Si/SiOx复合材料。多孔Si/SiOx复合材料振实密度为0.80 g cm-3。
按实施例1中的方法制备电极、组装电池，并进行充放电循环测试。多孔Si/SiOx复合材料电极循环性能测试表明，在1 A g-1的电流密度下在第300周保持1755 mAh g-1的可逆容量。
Claims (10)
1.一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）硅-金属合金的制备：将活泼金属和硅进行熔配，冷却后，采用切割和球磨处理，得到硅-金属合金；
（2）多孔硅材料的制备：将硅-金属合金在酸溶液中刻蚀，经离心、洗涤和真空干燥后得到具有三维网络结构的多孔硅材料；
（3）多孔Si/SiOx复合材料的制备：将多孔硅材料和SiOx按照质量比1:0.1～1:20混合，在惰性气氛保护下进行球磨，得到多孔硅/SiOx复合材料；所述SiOx的粒径为10～500纳米；所述SiOx中，x的取值为0<x≤2。
2.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述活泼金属为铝、锂、镁、锡中的至少一种。
3.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述活泼金属和硅的熔配温度为180℃～1000℃，熔配时间为0.2～24小时。
4.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述球磨为机械球磨，球磨时间为0.2～24小时，转速为100～2000 rpm。
5.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述硅-金属合金中，活泼金属的含量为5～80%；所述硅-金属合金的粒径为1～100微米。
6.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的至少一种；所述酸溶液的浓度为0.1～10mol/L；所述刻蚀反应时间为0.2～24小时。
7.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述多孔硅材料的粒径为1～100微米。
8.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述球磨为机械球磨，球磨时间0.2～24小时，转速为100～2000 rpm。
9.如权利要求1所述的一种多孔Si/SiOx复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述多孔Si/SiOx复合材料粒径为1～100微米；所述多孔Si/SiOx复合材料的振实密度为0.1～2.0g cm-3。
10.如权利要求1所述的多孔Si/SiOx复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。
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