[發明專利]一種用于鋰離子電池負極材料的納米級硅材料的制備方法

無效

• 申請號: 201210302049.3
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102790206A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 孫世剛;劉杰;張倩;李君濤;黃令
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森;戴深峻

技術領域

本發明涉及一種納米級硅材料，尤其是涉及一種用于鋰離子電池負極材料的納米級硅材料的制備方法，該納米級硅材料的平均粒徑為50～500nm。

背景技術

鋰離子電池已廣泛應用于手機、數碼相機和筆記本電腦等便攜式電子設備，具有重要的商業價值，更有望成為近年來興起的電動車和混合動力車的能源。目前商品化鋰離子電池的正極材料以氧化物正極材料如LiCoO₂、LiMn₂O₄和LiFePO₄等為主。負極材料是石墨以及以石墨為前軀體的各種碳材料，雖然具有良好的可逆充放電性能，但是碳材料的理論容量較低(372mAh/g)，高倍率充放電性能較差。當電池過充電時，碳表面易形成枝晶鋰，引起短路，產生安全隱患。由于碳材料已經很難滿足當今電子信息、能源技術飛速發展的需要，因此開發新型且可靠的高容量的鋰離子電池負極材料成為高性能鋰離子電池發展的技術瓶頸。近年來的研究集中在錫基材料、銻基材料和硅基材料等。硅可作為鋰離子電池的負極材料，以其高的質量比容量（4200mAh/g）和材料豐富、價格低廉等優點越來越受到重視。但是硅材料在嵌脫鋰過程中存在很大的體積變化，導致電極容量損失快，循環性能差，不能商業化。納米尺度的硅材料可望解決這一問題。目前，納米級硅的制備方法主要有高能球磨法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法等。高能球磨法是將硅微粒在高能球磨機中球磨得到納米級硅，這種方法儀器昂貴，制備的納米Si其粒徑分布寬，易發生團聚。物理氣相沉積法制備納米粉體材料的基本原理是在低壓下，利用各種熱能轉換方式將原料蒸發形成納米級顆粒的氣相粒子，在收集器上冷凝而得，雖然能得到質量高的納米級硅材料，但是其制備環境苛刻，成本非常高，并且硅的熔點高，生產過程能耗高。化學氣相沉積法是幾種氣相物質在高溫下通過化學反應生成固態物質并沉積在基體上，從而可制得納米薄膜或粉體，其反應速率受到各種反應條件的影響，難控制，易發生粉體團聚，導致粒徑分布范圍寬，并且未完全反應的物質會污染產物。激光誘導化學氣相沉積法的基本原理是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收，引起反應氣體分子激光誘導化學合成反應，在一定工藝條件下（激光功率密度、反應池壓力、反應溫度、反應氣體配比和流速）獲得納米粒子空間成核和生長。雖然其可以得到粒徑均勻的納米級硅顆粒，但是其受到眾多的反應條件影響，對反應條件要求高，并且激光技術價格昂貴，增加生產成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝簡單、原料便宜、易于生產和工業化、粒徑大小可控、粒徑范圍可控的用于鋰離子電池負極材料的納米級硅材料的制備方法。

所述納米級硅材料的平均粒徑為50～500nm。

本發明包括以下步驟：

1）將硅粉分散到溶劑中，得到懸濁液；

2）將步驟1）得到的懸濁液進行第一步離心，取上層濁液，下層固體大顆粒硅可機械粉碎，循環再利用；

3）將步驟2）得到的上層濁液進行第二步離心，取下層固體，干燥后，即得納米級硅材料。

在步驟1）中，所述硅粉的粒徑小于50μm、純度大于50%；所述溶劑可選自水、乙醇或水與乙醇的混合物；所述硅粉與溶劑的配比可為1g∶（5～100）ml，其中硅粉以質量計算，溶劑以體積計算。

在步驟2）中，所述第一步離心的轉速可為2000～6000r/min。

在步驟3）中，所述第二步離心的轉速可為3000～10000r/min。

其中第一步離心決定納米級硅材料的最大粒徑，第二步離心決定納米級硅材料的最小粒徑，通過控制第一步離心和第二步離心的轉速可以控制粒徑大小及粒徑范圍，從而制備出粒徑可控，粒徑范圍可控的納米級硅材料。

本發明與現有的其它制備納米級硅的方法相比較，其優點有：原料便宜，設備要求簡單，制備成本低；易于操作控制，易于工業化生產；可以通控制第一步離心和第二步離心的轉速來控制納米級硅的粒徑大小及粒徑范圍。因此本發明所述納米級硅材料具有較高的性價比和較好的市場潛力。

以下給出將本發明所述納米級硅材料用于制備鋰離子電池的方法：

1）將粘結劑放于稱量瓶，在稱量瓶中加入去離子水，攪拌溶解；

2）將納米級硅和乙炔黑研磨均勻，加入稱量瓶，攪拌10h，混合均勻；

3）將銅箔壓成直徑為1.6cm的圓片，然后在10MPa壓力下粗糙，依次用10%的鹽酸、去離子水、丙酮清洗，真空干燥，將調好的漿液涂抹到處理好的銅箔上，真空80℃干燥12h；