CN114613957B - 基于熔盐制备锂离子电池铜包覆硅负极材料的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于熔盐制备铜包覆硅材料的方法及应用。该方法包括如下步骤：将硅材料与金属氯化物按一定质量比进行研磨均匀；将上述混合物在氩气氛围中热处理，硅将金属离子置换为金属单质，经稀盐酸浸泡，真空抽滤后得到金属包覆硅材料。本发明的方法简单可控，所制备得到的金属包覆硅材料具有硅、硅金属合金、金属三层结构，硅金属合金和金属可以保持硅材料结构稳定性，构筑稳定的电极电解质界面，而且该包覆层可以加速锂离子传输，在锂离子电池负极的应用极具潜力。

Description

基于熔盐制备锂离子电池铜包覆硅负极材料的方法及应用
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体是一种基于熔盐制备硅材料铜包覆层的方法及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
硅材料具有高理论比容量，是最具潜力的锂离子电池负极材料之一，但是硅负极在脱嵌锂过程中会产生高达300％的体积变化，这会造成颗粒破碎、活性物质从电极上脱落，而且会反复形成固态电解质界面膜，消耗大量的电解液，这些都会使电池的容量快速衰减。目前大量研究表明对硅材料进行包覆可以改善硅负极的循环稳定性，碳材料已经被广泛研究，但是其较差的力学性能限制了进一步发展。具有良好的电子电导率、延展性的金属是有潜力的包覆层，在众多金属材料中，铜是唯一可以不与锂发生合金化但可以加速锂离子传输的金属，优异的电子电导率和延展性可以快速收集电子，并且可以适应体积变化。因此通过简易的方法制备铜包覆硅材料具有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于熔盐制备铜包覆硅材料的方法及应用。通过该方法制备得到铜包覆硅材料，简单易行，在锂离子电池负极的应用极具潜力。
在本发明的第一方面，提供一种基于熔盐制备铜包覆硅材料的方法，包括：
(1)将硅材料与氯化铜按一定质量比进行研磨均匀得到混合物；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中热处理，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经稀盐酸浸泡，真空抽滤后得到金属包覆硅材料。
所述的硅材料是微米硅、纳米硅、二维硅、多孔硅等；
所述的硅材料和氯化铜的质量比为1-2：1-3；更具体的，其质量比可为：1:1、1:2、2:1、2:3等；
所述研磨在研钵中进行；
所述惰性气体为氩气；
所述的热处理条件是，温度700-900℃，时间1-24h；
所述稀盐酸浓度为5wt％-10wt％，浸泡时间为4-6h。
在本发明的第二方面，提供一种上述方法制备得到的金属铜包覆硅材料。
在本发明的第三方面，提供一种上述金属铜包覆硅材料在二次电池中的应用，特别是锂离子电池中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用的前驱体均为商业化样品，制备方法简单可控，在锂离子电池负极的应用极具潜力。
(2)在热处理过程中氯化铜呈液态，与硅材料有良好的界面接触，可以形成均匀的包覆层。
(3)本发明制备的金属包覆硅材料具有硅、硅金属合金、金属三层结构，硅金属合金和金属可以保持硅材料结构稳定性，构筑稳定的电极电解质界面，而且该包覆层可以加速锂离子传输。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1：是实施例1中铜包覆微米硅的XRD图。
图2：是实施例1中铜包覆微米硅的SEM图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
一种基于熔盐制备硅材料金属铜包覆层的方法如下：
(1)将微米硅与氯化铜按质量比1:1置于研钵中研磨均匀；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中700℃热处理10h，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经5wt％稀盐酸浸泡4h，真空抽滤后得到铜包覆硅材料。
从图1可知，硅材料将熔融氯化铜中的铜离子置换成了金属铜，证明了铜包覆层的形成。
从图2可知，铜包覆硅材料表面平整、均匀、致密，说明了该方法的均匀性。
实施例2
一种基于熔盐制备硅材料金属铜包覆层的方法如下：
(1)将二维硅与氯化铜按质量比1:2置于研钵中研磨均匀；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中750℃热处理5h使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经5wt％稀盐酸浸泡5h，真空抽滤后得到金属铜包覆硅材料。
实施例3
一种基于熔盐制备硅材料金属铜包覆层的方法如下：
(1)将纳米硅与氯化铜按质量比2:1置于研钵中研磨均匀；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中800℃热处理20h，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经5wt％稀盐酸浸泡6h，真空抽滤后得到金属铜包覆硅材料。
实施例4
一种基于熔盐制备硅材料金属铜包覆层的方法如下：
(1)将微米硅与氯化铜按质量比2:3置于研钵中研磨均匀；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中900℃热处理12h，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经10wt％稀盐酸浸泡4h，真空抽滤后得到金属铜包覆硅材料。
实施例5
一种基于熔盐制备硅材料金属氯化铜包覆层的方法如下：
(1)将多孔硅与氯化铜按质量比1:1置于研钵中研磨均匀；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在氩气氛围中800℃热处理2h，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属氯化铜，经10wt％稀盐酸浸泡5h，真空抽滤后得到金属氯化铜包覆硅材料。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于熔盐法制备金属铜包覆硅材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将硅材料与氯化铜按一定质量比进行研磨均匀得到混合物；
(2)将上述混合物置于管式炉中，在惰性气体氛围中热处理，使得氯化铜在熔融状态对硅材料进行包覆，硅将铜离子置换为金属铜，经稀盐酸浸泡，真空抽滤后最终得到金属铜包覆硅材料；
硅材料与氯化铜的质量比为1-2：1-3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅材料选自微米硅、纳米硅、二维硅、多孔硅。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨在研钵中进行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理时间为1-24h；热处理温度为700-900℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀盐酸浓度为5wt％-10wt％，浸泡时间为4-6h。
7.根据权利要求1-6任一项所述方法制备得到的金属铜包覆硅材料。
8.根据权利要求7所述的金属铜包覆硅材料在二次电池中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在锂离子电池中的应用。
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Reactivity of Cu3 Si of different genesis towards copper(I) chloride;H. Souha等;Thermochimica Acta;全文 *

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