CN115768818A - 硅纳米颗粒和用于制备硅纳米颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了硅纳米颗粒和用于制备硅纳米颗粒的方法。实施方案包括用于研磨硅的方法。方法包括提供硅材料，提供包括极性溶剂的研磨液，以及在研磨液的存在下研磨硅材料以产生硅纳米颗粒。在研磨液的存在下研磨硅可以在纳米颗粒形成时使硅材料化学官能化，以提供稳定的化学官能化纳米颗粒。

Description

硅纳米颗粒和用于制备硅纳米颗粒的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年8月21日提交的美国临时专利申请序列号63/068,502的优先权的权益，其以引用的方式整体并入本文。
技术领域
发明总体上涉及硅纳米颗粒和用于制备硅纳米颗粒的方法。更具体地，本发明涉及用于生产在电化学应用诸如锂离子电池组中使用的纳米级硅材料的材料和方法。
背景技术
锂离子电池组(LIB)已经在从手持式电子设备到汽车的各种应用中得到广泛使用。它们是可再充电类型的电池组，其中锂离子在放电期间从阳极行进到阴极，并且在充电期间从阴极行进到阳极。常规而言，阴极由锂金属氧化物(例如，锂钴氧化物、锂镍二氧化物、锂锰氧化物)形成，并且阳极由石墨形成，其中锂离子在充电(储能)期间嵌入石墨层内。石墨被广泛使用，因为用石墨的锂嵌入比用其他已知的碳更多。
常规LIB的主要缺点是石墨的容量有限；换言之，石墨只能容纳有限量的锂。已知与石墨(碳)相比，硅对锂具有更大的亲和力，并且能够比石墨存储显著更高量的锂，理论上导致在LIB的阳极侧的容量更高。相比之下，石墨与锂组合的理论容量为372mAh/g，而硅的理论容量为4200mAh/g。因此，希望在阳极内掺入尽可能多的硅。当充分锂化时，硅的体积膨胀3-4倍。膨胀导致了对硅颗粒的高机械应力，这可能最终会导致破碎。破碎的硅颗粒可能会导致电接触丧失或活性材料的隔离，并且在电极结构中产生电阻率增加、电极破坏和容量损失。在充电和放电循环期间的容量降低被称为衰减或连续容量降低，并且通常是不可逆的。使用纳米尺寸的硅颗粒可以降低机械应力，并且防止锂化引起的颗粒破碎。粒度的减小导致表面积与体积之比相应增加。较小的颗粒(例如，纳米颗粒)具有高表面积与低体积。不受理论的束缚，颗粒体积是膨胀力的驱动机制。因此，体积的减小导致膨胀力减小，并且由于锂化期间的体积膨胀导致颗粒破碎的可能性和速率相应降低。
可以通过由较大的硅颗粒研磨来产生纳米尺寸的硅纳米颗粒。可以采用两种主要的技术进行研磨：干法和湿法。干法研磨技术涉及将粉状硅材料与研磨介质一起添加到容器，研磨介质通常为氧化锆(钇稳定的)、氧化铝、碳化硅、氧化硅、石英或不锈钢。已知干法研磨是低效且耗能的过程。干法研磨过程中的粒度分布通过使起始材料粒度与研磨介质大小相匹配来控制。对于相同的研磨粒度，湿法研磨提供了更低的能耗，例如，低约15-50％的能耗。湿法研磨也可以产生更细的颗粒，并导致更少的颗粒团聚。然而，用于湿法研磨的液体或液体混合物会影响硅颗粒的化学性质、表面性质和形态、团聚和下游处理。此外，硅颗粒的化学性质、表面性质和形态可影响硅颗粒的团聚、处理和电化学性质。
因此，需要用于控制、选择、改性或改善电活性材料如硅的表面性质和形态的改进方法。然而，考虑到在做出本发明时作为整体考虑的技术，对于本发明领域的普通技术人员来说，如何克服现有技术的缺点并不明显。
虽然已经讨论了常规技术的某些方面以便于本发明的公开，但是申请人决不放弃这些技术方面，并且预期所要求保护的发明可以涵盖本文讨论的一个或多个常规技术方面，尤其是结合本文描述的创新方面。
本发明可以解决以上讨论的现有技术的一个或多个问题和缺陷。然而，预期本发明可以证明在解决许多技术领域中的其他问题和缺陷方面是有用的。因此，所要求保护的发明不应该被解释为局限于解决本文讨论的任何特定问题或缺陷。
在本说明书中，当参考或讨论知识的文献、行为或项时，这种参考或讨论并不承认所述知识的文献、行为或项目或其任何组合或派生物在优先权日是可公开获得的、为公众所知的、是公知常识的一部分，或者另外地根据适用的法律规定构成现有技术；或者已知与解决本说明书所涉及的任何问题的尝试相关。
发明内容
通过包括研磨在内的各种工艺对电活性材料诸如硅的表面进行改性或官能化的改进方法的长期但迄今未实现的需求现在通过一种新型、有用且非显而易见的发明得以满足。
一方面提供了一种硅纳米颗粒组合物，其包括硅颗粒和多孔三维网络，其中硅颗粒的表面包括键合的官能团，其中硅颗粒分散在整个多孔三维网络中。例如，硅颗粒的表面可以包括共价键合的官能团。又例如，硅颗粒的表面可以包括氢键键合的官能团。在一些实施方案中，在官能化之前，硅颗粒的表面可以包括硅烷基团。例如，硅烷基团可以包括氢化硅。在一些实施方案中，在官能化之前，硅颗粒的表面可以包括氧化硅基团。在某些实施方案中，在官能化之前，硅颗粒的表面可以同时包括硅烷基团(例如，氢化硅)和氧化硅基团。在一些实例中，这些硅烷和氧化硅基团的至少一部分与键合官能团结合存在，例如硅烷基团和键合官能团、氧化硅基团和键合官能团、或者硅烷和氧化硅基团二者同时和键合官能团。
在一个实例中，多孔三维网络可以是溶胶-凝胶、气凝胶前体、聚酰亚胺前体、气凝胶、碳气凝胶和/或聚酰亚胺来源的碳气凝胶。硅颗粒表面上的官能团可以键合到多孔三维网络内的碳原子上。例如，硅颗粒表面上的官能团可以共价键合到多孔三维网络内的碳原子上。又例如，硅颗粒表面上的官能团可以与多孔三维网络内的碳原子发生氢键合。
在一个实例中，官能团可以包括-OH、-COOH、-C-O-C-、-NH2、-NHR或其组合中的至少一者。键合的官能团可以包括异丙醇。键合的官能团可以选自由以下各项组成的组：异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐或甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐。在一个实例中，键合的官能团包括羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。在示例性实施方案中，硅颗粒的直径可以小于150nm。
一方面提供了一种处理硅的方法。在示例性实施方案中，所述方法包括提供硅材料，提供处理液体，以及在处理液体的存在下处理硅材料以产生硅纳米颗粒。在处理之前，硅材料具有第一粒度，例如第一粒度分布。在一些实施方案中，第一粒度可以是硅材料的单个颗粒的粒度或粒度分布。在其他实施方案中，第一粒度可以是硅团聚颗粒的粒度或粒度分布。处理后，硅纳米颗粒具有小于第一粒度的第二粒度，例如小于或低于第一粒度分布的第二粒度分布。在一些实施方案中，第二粒度可以是解聚的硅颗粒的粒度或粒度分布。
在某些实施方案中，处理液体包括极性溶剂。在一些实施方案中，处理液体占总重量的约70重量％至约80重量％。在处理液存在下处理硅材料的步骤可以在纳米颗粒形成时使硅材料的表面官能化，以提供稳定的官能化纳米颗粒。
例如，处理液体可以包括选自由以下组成的组的极性溶剂：DMSO、DMF、NMP、DMAC、THF、1,4-二噁烷、二甘醇二甲醚、乙腈、异丙醇和水。例如，极性溶剂可以是水。在某些实施方案中，极性溶剂可以是偶极非质子溶剂。例如，极性溶剂可以是DMAC。又例如，极性溶剂可以是NMP。在某些实施方案中，处理液体可以进一步包括聚酰亚胺前体单体。
在本文公开的处理硅的方法的示例性实施方案中，第一粒度在约1um至约10um的范围内。在某些实施方案中，第二粒度在约50nm至约500nm的范围内。
在示例性实施方案中，在研磨液的存在下处理硅的步骤在纳米颗粒形成时使硅材料化学官能化，以提供稳定的化学官能化纳米颗粒。例如，处理液体或其成分可以与硅材料反应。在其他实例中，在处理液体存在下处理硅的步骤在纳米颗粒形成时使硅材料官能化，以这样的方式彼此反应，从而产生脂肪族或芳香族烃或碳前体涂层、光致发光、生物相容性或催化作用。在进一步的实例中，在处理液体存在下处理硅的步骤在纳米颗粒形成时成时使硅材料官能化，以与气凝胶前体反应。在一个实例中，处理液体可以包括聚酰亚胺前体单体。处理液体可以包含异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐、甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐或其组合。在一个实例中，处理液体包括羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。
在示例性实施方案中，处理硅的步骤包括研磨硅。在这样的实施方案中，处理液体可以被称为研磨液体。例如，在球磨机、涡轮磨机或喷射磨机中进行处理，例如研磨。在一些实施方案中，以分批过程进行所述处理。在某些实施方案中，以半分批过程进行所述处理。在一些实施方案中，以连续过程进行所述处理。
另一方面提供了通过本文公开的方法生产的硅纳米颗粒。另一方面提供了一种硅纳米颗粒组合物，其包括硅纳米颗粒和与用于制造气凝胶材料的方法相容的极性溶剂。在示例性实施方案中，硅纳米颗粒的表面可以通过与处理液体相互作用而官能化，所述处理液体例如是与制备气凝胶材料的方法相容的极性溶剂。
附图说明
为了全面和清楚地理解本发明，应结合附图参考以下具体实施方式，附图中：
图1是根据本文公开的实施方案的研磨纳米颗粒硅的扫描电子显微照片(SEM)；
图2是使用激光衍射测量的根据本文公开的实施方案的硅粒度分布的图表；和
图3是异丙醇接枝硅的红外光谱。
具体实施方式
在本发明的以下具体实施方式中，参考了附图，这些附图构成了本发明的一部分，并且在附图中以图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施方案。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以进行结构改变。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a和an)”、和“所述(the)”包括复数指示物，除非内容另有明确指示。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义来使用，除非上下文另有明确指示。
如本文所用，“约”表示近似或接近，并且在所述数值或范围的上下文中表示所述数值的±15％。在一个实施方案中，术语“约”可以包括根据数值的有效数字的传统舍入。另外，短语“约‘x’到‘y’”包括“约‘x’到约‘y’”。
在示例性实施方案中，本文公开的系统和方法提供了一种低成本的处理方法，例如，处理电活性材料(例如，金属、金属氧化物和准金属)以将其解聚或处理以降低粒度，使其成为亚微米颗粒，所述亚微米颗适于与锂离子电池组(LIB)的高效碳材料合并。在一些实施方案中，处理方法包括研磨电活性材料。在某些实施方案中，电活性材料可以包括金属、金属氧化物、准金属，特别是硅(Si)、其他金属，例如Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Mn、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、Cd、Se、Ag、Zn、Sn、Pb、Sb、Nb、Bi、Hf、Ba、Al、B、P、As、Al2O3及其任何组合。例如，由所公开的方法提供的硅颗粒可用于生产掺杂硅的碳材料，其中硅颗粒至少部分包含在碳材料中。
粉末可以通过各种技术生产，包括电化学还原和机械碾磨，即研磨。可以使用湿法或干法进行研磨。在干法研磨过程中，粉末与研磨介质一起加入容器中。研磨介质通常包括氧化锆(钇稳定的)、碳化硅、氧化硅、石英或不锈钢的球或棒。所得研磨材料的粒度分布由施加到系统的能量以及通过使起始材料粒度与研磨介质大小相匹配来控制。然而，干法研磨是一种低效且耗能的过程。湿法研磨类似于添加研磨液的干法研磨。湿法研磨的优点是产生相同结果的能耗比干法研磨低15-50％。湿法研磨的另一个优点是研磨液可以保护研磨材料不被氧化。还发现湿法研磨可以产生更细的颗粒，并导致更少的颗粒团聚。
湿法研磨可以使用多种液体组分进行。本公开中的研磨不限于通过分级来改变粒度，研磨可以包括颗粒的解聚。在示例性实施方案中，选择研磨液或包含在研磨液中的组分，以减少或消除研磨期间或之后硅颗粒表面上的化学官能化。在其他实施方案中，选择研磨液或包含在研磨液中的组分，以在研磨期间或之后提供颗粒(例如硅颗粒)的所需表面化学官能化。也可以选择研磨液或包含在研磨液中的组分来控制颗粒(例如硅颗粒)的化学反应性或结晶形态。在示例性实施方案中，研磨液或包含在研磨液中的组分可以基于与下游材料的相容性或反应性、处理步骤或颗粒(例如硅颗粒)的用途来选择。例如，研磨液或包含在研磨液中的组分可以与用于形成或制备有机或无机气凝胶材料的方法中使用的液体或溶剂相容、可用于其或完全相同。在又一个实施方案中，可以选择研磨液，使得研磨液或包含在研磨液中的组分在硅颗粒表面上产生涂层或中间物质如脂肪族或芳香族烃，或者通过交联或产生交叉官能化合物，与有机或无机气凝胶材料反应。
气凝胶和干凝胶可以由无机材料和/或有机材料形成。当由有机材料形成时，例如苯酚、间苯二酚-甲醛(RF)、间苯三酚糠醛(PF)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚丁二烯、聚二环戊二烯及其前体或单体、寡聚物或聚合物衍生物，气凝胶或干凝胶可被碳化(例如，通过热解)以形成碳气凝胶，其可具有一些彼此不同或重叠的性质(例如，孔体积、孔尺寸分布、形态等)，这取决于所使用的前体材料和方法。可以各自包含芳族基团和/或脂族基团的聚酰亚胺前体，例如二胺和二酐，在合适的溶剂(例如极性非质子溶剂)中混合。聚酰亚胺传统上通过形成聚酰胺酸预聚物来合成，所述预聚物可以通过化学、热或电磁辐射进行闭环(例如光引发剂诱导的亚胺化以获得聚酰亚胺)。亚胺化反应通常在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、或四氢呋喃(THF)和甲醇(MeOH)或水的组合中进行。
在亚胺化之前，将添加剂颗粒，例如电活性材料如硅颗粒，混合到溶剂中的酰亚胺前体中。在亚胺化过程中，形成凝胶，添加剂颗粒例如硅颗粒均匀分散在凝胶中。然后将所得混合物浇铸成涂层、三维整体结构，或分散成微米级颗粒，例如通过将催化的前体引入用高剪切混合器混合的非溶剂中。然后干燥含硅的聚酰亚胺以产生多孔聚酰亚胺硅复合材料，其中可以使用空气、热空气或亚临界和/或超临界二氧化碳进行干燥。聚酰亚胺添加剂复合材料，例如聚酰亚胺硅复合材料，然后被热解以产生连续多孔碳复合材料，其中所得复合材料包含大于0重量％且小于约95重量％的添加剂，例如硅，并且具有约5％-99％的孔隙率。在某些实施方案中，热解可以在约750℃至约1600℃的最高温度下进行，任选地从约1000℃至约3000℃进行石墨化。有关聚酰亚胺组合物和过程的额外的详细信息可见于美国专利申请序列号16/803,348；2020年8月25日提交的63/070,230的美国专利申请序列号；2020年12月11日提交的美国专利申请序列号63/124,451；和2020年12月11日提交的美国专利申请序列号63/124,454，这些专利申请各自均以引用方式整体并入本文。
在所公开的方法的某些实施方案中，使用包含与气凝胶合成过程中使用的溶剂相同或相容的溶剂的研磨液，例如通过碾磨或研磨来处理材料，以减少所得颗粒或粉末的团聚、粒度和/或粒度分布。这些材料包括金属、准金属，特别是硅，其他金属或金属氧化物，例如Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Mn、Fe、Ru、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Zn、Sn、Pb、Sb、Nb、Bi、Hf、Ba、Al、B、P、As、Al2O3及其组合。例如，研磨液可以包括合适的极性非质子溶剂，例如DMSO、DMF、NMP、DMAC、THF、1,4-二噁烷、二甘醇二甲醚、乙腈、异丙醇、水或其任何组合。在某些实施方案中，研磨液可包括DMAC或基本上由DMAC组成。在一些实施方案中，研磨液可以包括水，基本上由水组成，或者水和任何前述材料的组合。
通过对研磨液使用与用于制备气凝胶前体材料的溶剂相同或相容的溶剂，可以省去去除研磨溶剂的中间干燥步骤(或其他处理步骤，例如分馏)。研磨的添加剂颗粒的干燥也会导致颗粒的团聚。在添加剂颗粒可以被进一步处理之前，颗粒聚集体通常必须被解聚，例如通过高剪切混合、离心、筛分等。通过用与用于形成气凝胶前体的溶剂相同或相容的液体进行研磨，可以省去干燥和解聚步骤。此外，可以选择研磨液来产生颗粒表面的化学官能化，使得纳米颗粒将与气凝胶材料或其他纳米颗粒反应、结合或吸附到其上，并改善LIB的大小、质量、体积或充电/放电容量。
在根据本文公开的实施方案进行处理后，例如通过研磨处理后，颗粒，例如电活性材料的颗粒，如硅颗粒，可以具有在约1nm至约150nm范围内的最大尺寸。本公开的颗粒可以是细颗粒，例如最大尺寸(例如基本球形颗粒的直径)在约150nm至约10微米或更大的范围内的微米级颗粒。例如，本公开的颗粒的最大尺寸(例如基本球形颗粒的直径)可以为约10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、500nm、1微米、1.5微米、2微米、3微米、5微米、10微米、20微米、40微米、50微米、100微米，或者在这些值中的任意两个之间的范围内。在一些实施方案中，颗粒是平的碎片形状，例如片晶，其两个维度(例如长度和宽度)为约10nm、50nm、100nm、150nm、200nm、500nm、1微米、1.5微米、2微米、3微米、5微米、10微米、20微米、40微米、50微米、100微米，或者在这些值的任意两个之间的范围内。图2是使用激光衍射测量的根据本文公开的实施方案的硅粒度的图表。粒度可以使用激光衍射/散射粒度分布分析仪(由HORIBA,Ltd.制造的LA-960激光衍射分析仪)来测量。硅纳米颗粒的D50粒度分布可以为小于500μm、小于400μm或小于300μm。
在一些实施方案中，颗粒可以是单分散的或基本上是单分散的。在其他实施方案中，颗粒可以具有粒度分布。在本公开的上下文中，基于粒度分布的中值，即D50，提供硅颗粒的尺寸。根据本文公开的实施方案，在处理之后，颗粒(例如，诸如硅颗粒的电活性材料的颗粒)可以具有各种形状。在一些实施方案中，根据本文公开的方法研磨的硅颗粒可以是基本上平面的薄片，即，具有平的碎片形状，也可以称为片晶形状，如图1所示。例如，颗粒具有两个基本平坦的主表面，所述两个主表面由限定了主表面之间的厚度的次表面连接。在其他实施方案中，电活性材料颗粒可以基本上是球形、立方体、倒卵形、椭圆形、盘形或环形。
如上所述，可以选择用于研磨的溶剂或溶剂混合物，以控制研磨期间或之后颗粒的化学官能化。以硅为例，不受理论限制，在醇基溶剂如异丙醇中研磨硅可以使硅表面官能化，并通过氢键或共价键将醇盐表面基团如异丙醇键合到硅颗粒表面上。在示例性实施方案中，研磨可以在极性非质子溶剂中进行，例如DMSO、DMF、NMP、DMAC、THF、1,4-二噁烷、二甘醇二甲醚、乙腈、异丙醇、水或其任何组合，这具有许多优点。在研磨过程中，反应性化学物质可用作溶剂。例如，反应性化学物质可以包括烯烃、炔烃、醇、羧酸和醛中的一种或多种，它们各自具有官能团，包括但不限于，-OH、-COOH、-C-O-C-、-NH2、-NHR及其组合。
例如，在与制备气凝胶材料的方法相容的溶剂(例如上述极性非质子溶剂)中研磨，可以消除在添加到气凝胶制备方法之前从颗粒中除去研磨液的需要，因为研磨液与气凝胶方法中使用的溶剂相同或相容。在其他实施方案中，研磨液可以包括单体、寡聚物或聚合物前体。例如，研磨液可以包括聚酰亚胺前体单体，例如聚丙烯酸(PAA)。又例如，研磨液体可以包括溶胶-凝胶液体。在这些实施方案中，包括前体组分(例如气凝胶前体)或溶胶-凝胶液体的研磨液可以将溶胶-凝胶功能赋予颗粒(例如硅颗粒)的表面。在进一步的实施方案中，可以选择研磨液以赋予颗粒(例如硅颗粒)表面功能，使得官能化的颗粒在研磨过程中或之后彼此反应或相互作用。
在一个实例中，硅颗粒(例如，硅纳米颗粒)表面可以用官能团改性，所述官能团可以帮助硅颗粒分散在多孔三维网络中。在一个实例中，多孔三维网络可以是溶胶-凝胶、气凝胶、干凝胶、泡沫结构等。可以选择接枝到硅颗粒表面上的官能团，以有助于在三维网络中形成硅颗粒的均匀分布。
例如，官能团可以通过共价键和/或氢键接枝到硅颗粒的表面上。在官能化之前，硅颗粒的表面包括硅烷基团，例如氢化硅，和/或氧化硅基团。在一些实施方案中，在硅颗粒表面官能化之后，这些硅烷和氧化硅基团的至少一部分可以与键合官能团结合存在，例如，硅颗粒表面可以包括硅烷基团和键合官能团、氧化硅基团和键合官能团、或者硅烷和氧化硅基团二者同时和键合官能团。硅颗粒表面上官能团的存在可以通过各种技术来检测，例如通过红外光谱。官能化硅颗粒的示例性光谱显示Si-O-C键的特征峰在800-900cm-1范围内，C-H键的特征峰在1370-1460cm-1和2870-2980cm-1范围内。这些特征峰表明官能团成功接枝到硅颗粒表面。作为具体实例，图3示出了用异丙醇官能化的硅纳米颗粒的红外光谱，如以下实施例1中所述。
硅颗粒的表面可以用亲水基团官能化，以帮助改善在多孔三维网络中的分散。不受理论的束缚，用羟基的官能化在硅颗粒上的表面基团和多孔三维网络之间产生增加的氢键合和/或共价键合。结果，官能化的硅颗粒可以均匀地分散在多孔三维网络中。例如，亲水性羟基可以通过不饱和二醇接枝到颗粒表面，以增加硅颗粒表面的亲水性。增加硅纳米颗粒的亲水性使得纳米颗粒更均匀地分散在三维网络中，并且在任何附加的处理(例如热解)中保持均匀地分散在三维网络中。在一个实例中，通过乙二醇的官能化可以改善聚酰亚胺溶胶-凝胶和/或气凝胶中的硅颗粒的分散。可以使用任何合适的二醇，包括但不限于乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯等。
在另一个实例中，官能团可以是反应性氨基。例如，氨基可以通过不饱和胺接枝到硅纳米颗粒的表面。反应性氨基可以共价键合到硅颗粒的表面。反应性氨基可以通过氢键结合到硅颗粒的表面。在一个实例中，接枝到硅颗粒上的反应性氨基可以参与聚酰亚胺合成的反应。在一些实例中，接枝的氨基可用于将颗粒共价键合到聚酰亚胺基质上。在一些实例中，接枝的氨基可用于通过氢键将颗粒结合到聚酰亚胺基质上。反应性氨基可包括但不限于烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐、甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐及其组合。
可以选择官能团来参与气凝胶形成的反应。例如，可以选择纳米颗粒表面的官能化，使得官能团可以参与聚酰亚胺合成的反应。
实施例1
将粒度为1-5微米的硅粉在布勒MMX-1球磨机(Buhler MMX-1 Ball Mill)中用异丙醇作为溶剂研磨5小时。所得硅纳米颗粒的尺寸为130nm。将硅粉在80℃下干燥24小时，以除去残留的异丙醇。获得的硅纳米颗粒的红外光谱可见于图3。可见Si-O-C键的特征峰在800-900cm-1范围内，并且C-H键的特征峰在1370-1460cm-1和2870-2980cm-1范围内，表明异丙醇成功接枝到硅表面。异丙醇接枝的硅纳米颗粒比未改性的硅颗粒更亲水，并且能够均匀地分散在水中。
所有引用的出版物都以引用方式整体并入本文。此外，当通过引用并入本文的参考文献中术语的定义或使用与本文提供的所述术语的定义不一致或相反时，本文提供的所述术语的定义适用，并且应该忽略参考文献中所述术语的定义。
有效地获得了上述优点以及从前面的描述中变得显而易见的那些优点。由于在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述构造进行某些改变，因此包含在前面的描述中或者在附图中示出的所有内容应该被解释为说明性的，而不是限制性的。
还应当理解，下面的权利要求书旨在涵盖本文描述的本发明的所有一般和具体特征，以及本发明范围的所有陈述，在语言上可以说落在它们之间。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种组合物，其包含：
直径小于200nm的硅颗粒，其中所述硅颗粒的表面包括键合的官能团；和
多孔三维网络，其中所述硅颗粒分散在整个所述多孔三维网络中。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述多孔三维网络是溶胶-凝胶溶液。
3.如权利要求2所述的组合物，其中所述溶胶-凝胶溶液包含气凝胶前体。
4.如权利要求2所述的组合物，其中所述溶胶-凝胶溶液包含聚酰亚胺前体。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含气凝胶。
6.根据权利要求1或5中任一项所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含碳气凝胶。
7.根据权利要求1或5中任一项所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含聚酰亚胺来源的碳气凝胶。
8.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子键合。
9.根据权利要求1或权利要求8中任一项所述的组合物，其中所述官能团包括-OH、-COOH、-C-O-C-、-NH2、-NHR或其组合中的至少一者。
10.根据权利要求1或权利要求8中任一项所述的组合物，其中所述键合的官能团包括异丙醇。
11.根据权利要求1所述的组合物，其中所述键合的官能团选自由以下组成的组：异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐或甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐。
12.根据权利要求1所述的组合物，其中所述键合的官能团包括羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。
13.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括共价键合的官能团。
14.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括氢键合的官能团。
15.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子共价键合。
16.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子发生氢键合。
17.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括硅烷基团。
18.根据权利要求17所述的组合物，其中所述硅烷基团包含氢化硅。
19.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括氧化硅基团。
20.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硅颗粒的直径小于150nm。
21.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含与用于制造气凝胶材料的方法相容的极性溶剂。
22.一种用于使硅纳米颗粒的表面官能化的方法，所述方法包括：
提供硅材料，所述硅材料具有第一粒度；
提供处理液体，所述处理液体包含极性溶剂；和
在所述处理液体的存在下处理所述硅材料以产生硅纳米颗粒，所述硅纳米颗粒具有小于所述第一粒度的第二粒度，
其中在所述处理液体的存在下处理所述硅材料的步骤在所述纳米颗粒形成时使所述硅材料的表面官能化以得到稳定的官能化纳米颗粒。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述极性溶剂与用于制造气凝胶材料的方法相容。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述极性溶剂选自由以下组成的组：DMSO、DMF、NMP、DMAC、THF、1,4-二噁烷、二甘醇二甲醚、乙腈、异丙醇和水。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中所述处理液体包含异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐、甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐或其组合中的至少一者。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一粒度在约1um至约10um的范围内。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述第二粒度在约50nm至约500nm的范围内。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理液体以总重量的约70重量％至约80重量％存在。
29.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理液体进一步包含气凝胶前体单体。
30.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理液体进一步包含聚酰亚胺前体单体。
31.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理液体包含羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。
32.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理所述硅的步骤包括研磨所述硅材料。
33.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理在球磨机、喷射磨机或涡轮磨机中进行。
34.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理以分批过程进行。
35.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理以半分批过程进行。
36.根据权利要求22所述的方法，其中所述处理以连续过程进行。

Claims (37)

1.一种组合物，其包含：
直径小于200nm的硅颗粒，其中所述硅颗粒的表面包括键合的官能团；和
多孔三维网络，其中所述硅颗粒分散在整个所述多孔三维网络中。
2.如权利要求1所述的组合物，其中所述多孔三维网络是溶胶-凝胶溶液。
3.如权利要求2所述的组合物，其中所述溶胶-凝胶溶液包含气凝胶前体。
4.如权利要求2所述的组合物，其中所述溶胶-凝胶溶液包含聚酰亚胺前体。
5.根据权利要求1中任一项所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含气凝胶。
6.根据权利要求1或5中任一项所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含碳气凝胶。
7.根据权利要求1或5中任一项所述的组合物，其中所述多孔三维网络包含聚酰亚胺来源的碳气凝胶。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子键合。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其中所述官能团包括-OH、-COOH、-C-O-C-、-NH2、-NHR或其组合中的至少一者。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的组合物，其中所述键合的官能团包括异丙醇。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其中所述键合的官能团选自由以下组成的组：异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐或甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的组合物，其中所述键合的官能团包括羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括共价键合的官能团。
14.根据权利要求1-12中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括氢键合的官能团。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子共价键合。
16.根据权利要求1-14中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面上的所述官能团与所述多孔三维网络内的碳原子发生氢键合。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括硅烷基团。
18.根据权利要求17所述的组合物，其中所述硅烷基团包含氢化硅。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的表面包括氧化硅基团。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的组合物，其中所述硅颗粒的直径小于150nm。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的组合物，其进一步包含与用于制造气凝胶材料的方法相容的极性溶剂。
22.一种用于使硅纳米颗粒的表面官能化的方法，所述方法包括：
提供硅材料，所述硅材料具有第一粒度；
提供处理液体，所述处理液体包含极性溶剂；和
在所述处理液体的存在下处理所述硅材料以产生硅纳米颗粒，所述硅纳米颗粒具有小于所述第一粒度的第二粒度，
其中在所述处理液体的存在下处理所述硅材料的步骤在所述纳米颗粒形成时使所述硅材料的表面官能化以得到稳定的官能化纳米颗粒。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述极性溶剂与用于制造气凝胶材料的方法相容。
24.根据权利要求22-23中任一项所述的方法，其中所述极性溶剂选自由以下组成的组：DMSO、DMF、NMP、DMAC、THF、1,4-二噁烷、二甘醇二甲醚、乙腈、异丙醇和水。
25.根据权利要求22-24中任一项所述的方法，其中所述处理液体包含异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐和甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐中的至少一者。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的方法，其中所述第一粒度在约1um至约10um的范围内。
27.根据权利要求22-26中任一项所述的方法，其中所述第二粒度在约50nm至约500nm的范围内。
28.根据权利要求22-27中任一项所述的方法，其中所述处理液体以总重量的约70重量％至约80重量％存在。
29.根据权利要求22-28中任一项所述的方法，其中所述处理液体进一步包含气凝胶前体单体。
30.根据权利要求22-29中任一项所述的方法，其中所述处理液体进一步包含聚酰亚胺前体单体。
31.根据权利要求22-30中任一项所述的方法，其中所述处理液体包含异丙醇、乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯、不饱和二醇、氢氧根基团、烯丙胺、乙烯基苄胺盐酸盐、甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐或其组合。
32.根据权利要求22-31中任一项所述的方法，其中所述处理液体包含羟基、不饱和胺、不饱和二醇或其组合。
33.根据权利要求22-32中任一项所述的方法，其中所述处理所述硅的步骤包括研磨所述硅。
34.根据权利要求22-33中任一项所述的方法，其中所述处理在球磨机、喷射磨机或涡轮磨机中进行。
35.根据权利要求22-34中任一项所述的方法，其中所述处理以分批过程进行。
36.根据权利要求22-35中任一项所述的方法，其中所述处理以半分批过程进行。
37.根据权利要求22-36中任一项所述的方法，其中所述处理以连续过程进行。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5622684A (en) * 1995-06-06 1997-04-22 Board Of Trustees Operating Michigan State University Porous inorganic oxide materials prepared by non-ionic surfactant templating route
CN1800011A (zh) * 2004-12-30 2006-07-12 章浩龙 一种二氧化硅异丙醇分散液及其制备方法
JP2007173516A (ja) * 2005-12-22 2007-07-05 Kagawa Univ シリコン微粒子とその製造方法およびそれらを用いた太陽電池とその製造方法
JP2011011928A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Nissan Motor Co Ltd 表面修飾シリコン粒子
DE102014207881A1 (de) * 2014-04-25 2015-10-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Herstellverfahren von nanoskaligen Siliziumpartikeln mit einer reduzierten Siliziumdioxid-Beschichtung
CN105555879A (zh) * 2013-08-02 2016-05-04 瓦克化学股份公司 用于硅的尺寸减小的方法以及尺寸减小的硅在锂离子电池中的应用
CN106207142A (zh) * 2015-04-30 2016-12-07 深圳市比克电池有限公司 一种动力锂离子电池硅碳复合负极材料制备方法
CN106987019A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 北京航空航天大学 一种表面官能化纳米粒子交联的聚酰亚胺气凝胶及其制备方法
US20170342095A1 (en) * 2016-05-25 2017-11-30 Evonik Degussa Gmbh Organofunctional silicon particles, process for the production thereof and use thereof
JP2018048040A (ja) * 2016-09-21 2018-03-29 帝人株式会社 シリコンナノ粒子の水への分散方法
CN109690838A (zh) * 2016-09-12 2019-04-26 英默里斯石墨及活性炭瑞士有限公司 组合物及其用途
US20190237749A1 (en) * 2016-09-12 2019-08-01 Imerys Graphite & Carbon Switzerland Ltd. Compositions and uses thereof
CN111074382A (zh) * 2019-12-20 2020-04-28 银隆新能源股份有限公司 硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池
CN111266162A (zh) * 2020-03-25 2020-06-12 长沙矿冶研究院有限责任公司 一种纳米硅粉的制备方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11201912780YA (en) * 2016-11-23 2020-01-30 Grst Int Ltd Method of preparing anode slurry for secondary battery
US11648521B2 (en) 2019-02-27 2023-05-16 Aspen Aerogels, Inc. Carbon aerogel-based electrode materials and methods of manufacture thereof

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5622684A (en) * 1995-06-06 1997-04-22 Board Of Trustees Operating Michigan State University Porous inorganic oxide materials prepared by non-ionic surfactant templating route
CN1800011A (zh) * 2004-12-30 2006-07-12 章浩龙 一种二氧化硅异丙醇分散液及其制备方法
JP2007173516A (ja) * 2005-12-22 2007-07-05 Kagawa Univ シリコン微粒子とその製造方法およびそれらを用いた太陽電池とその製造方法
JP2011011928A (ja) * 2009-06-30 2011-01-20 Nissan Motor Co Ltd 表面修飾シリコン粒子
CN105555879A (zh) * 2013-08-02 2016-05-04 瓦克化学股份公司 用于硅的尺寸减小的方法以及尺寸减小的硅在锂离子电池中的应用
DE102014207881A1 (de) * 2014-04-25 2015-10-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Herstellverfahren von nanoskaligen Siliziumpartikeln mit einer reduzierten Siliziumdioxid-Beschichtung
CN106207142A (zh) * 2015-04-30 2016-12-07 深圳市比克电池有限公司 一种动力锂离子电池硅碳复合负极材料制备方法
US20170342095A1 (en) * 2016-05-25 2017-11-30 Evonik Degussa Gmbh Organofunctional silicon particles, process for the production thereof and use thereof
CN109690838A (zh) * 2016-09-12 2019-04-26 英默里斯石墨及活性炭瑞士有限公司 组合物及其用途
US20190237749A1 (en) * 2016-09-12 2019-08-01 Imerys Graphite & Carbon Switzerland Ltd. Compositions and uses thereof
JP2018048040A (ja) * 2016-09-21 2018-03-29 帝人株式会社 シリコンナノ粒子の水への分散方法
CN106987019A (zh) * 2017-04-14 2017-07-28 北京航空航天大学 一种表面官能化纳米粒子交联的聚酰亚胺气凝胶及其制备方法
CN111074382A (zh) * 2019-12-20 2020-04-28 银隆新能源股份有限公司 硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池
CN111266162A (zh) * 2020-03-25 2020-06-12 长沙矿冶研究院有限责任公司 一种纳米硅粉的制备方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MARYAM AGHAJAMALI ET AL.: ""Size and Surface Effects of Silicon Nanocrystals in Graphene Aerogel Composite Anodes for Lithium Ion Batteries"", 《CHEMISTRY OF MATERIALS》, 19 October 2018 (2018-10-19), pages 7782 *
MUHAMMAD IRSHAD BAIG ET AL.: ""Water vapor selective thin film nanocomposite membranes prepared by functionalized Silicon nanoparticles"", 《DESALINATION》, 16 June 2017 (2017-06-16), pages 59 - 71 *
张友杰等: "《有机波谱学教程》", 30 November 1990, 华中师范大学出版社, pages: 31 - 43 *

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