[發明專利]一種基于光伏硅廢料的鋰離子電池負極材料的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201410387828.7
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN105336922B
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 張力
• 申請（專利權）人: 江蘇載馳科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 鄧唯

本發明提出一種基于光伏產業硅廢料的鋰離子電池負極材料的制備方法及應用技術。通過對光伏產業中硅片切割產生的高純硅廢料進行系列純化（包括清洗、高溫除雜等）以及結構和組成的調控（包括濕法刻蝕、原位石墨碳包覆及與傳統石墨負極按一定比例混合），獲得微米或亞微米硅或硅?石墨混合材料；繼而通過開發三維高強度粘結劑系統以及優化電極加工工藝，克服硅材料作為鋰離子負極在充/放電過程中劇烈的體積效應，使之達到鋰離子電池對負極材料壽命的要求，并可與相應正極材料組配為高比能全電池，不僅可大幅降低目前硅負極材料的高昂成本，也可實現光伏硅廢料的高效循環利用，具有極其重要的經濟和社會價值。

技術領域

本發明涉及一種基于光伏產業高純硅廢料的鋰離子電池負極材料的制備方法及應用技術，屬于新能源材料與能源電化學研究領域。

背景技術

過去二十年中，鋰離子電池在移動電子領域內的應用獲得了巨大成功，并被認為是電動汽車和大型儲能設備電池系統的理想選擇。然而要在動力和儲能領域實現進一步的應用，下一代鋰離子電池仍需在能量和功率密度、安全性、壽命、成本上進行系統提高和優化。

研發和應用具有高比容量的正、負極材料是發展高比能鋰離子電池最有效也是最重要的途徑之一。在負極方面，傳統石墨負極的理論比容量僅有372 mAh g^-1, 已難以滿足動力型鋰離子電池對比能量日益增長的需求，因而開發高比容量的負極材料已刻不容緩。到目前為止，各類材料包括鋰合金(Si, Sn, Ge, Sb)，過渡金屬氧化物(SnO₂,TiO₂, MnO₂,Co₃O₄, Fe₂O₃)，過渡金屬氮化物，高分子聚合物以及相應的復合材料，都得到了詳盡的研究。其中，硅材料因其理論容量高（4200mAh g^-1）、脫/嵌鋰電位低、放電平臺長且穩定、安全性高以及環境友好等獨特優勢，受到廣泛的關注和研究，被認為是商業化碳材料最具前景的替代材料。2011年美國能源部在未來十年高比能鋰電池的發展規劃中，已將高比容量硅基材料的開發列為負極材料研究的關鍵內容。

作為一種極具應用前景的負極材料，硅材料的商業化應用依然面臨幾個關鍵的瓶頸問題：首先，硅是一種半導體材料，其電子導電性較差。其次，硅在循環嵌/脫鋰過程中存在劇烈的體積效應（體積變化大于300%），這將導致材料快速機械粉化，并與集流體基底逐漸脫離失去導電連接，最終造成容量的快速下降。材料體積的反復變化，還會導致材料表面形成的固體電解質保護膜（SEI膜）不斷破壞-再生，造成鋰離子的持續消耗，也將加快容量的衰減過程。由此可見，提高硅負極的循環性能是硅基負極材料實際應用的關鍵。相應策略應針對上述主要的瓶頸問題，這主要包括克服或緩解體積效應的影響，提高導電連接和電接觸穩定性以及促進形成穩定的固體電解質界面膜。為了克服硅劇烈的體積效應，目前國內外廣泛采用的方法是使用納米化硅材料，即利用納米尺寸效應，通過大幅提高比表面積來緩解硅在電化學過程中的絕對體積變化。但從實際應用角度來看，納米化硅材料也有明顯的缺點：從結構上看，納米化硅具有高比表面積，但表面缺陷密度高，熱力學不夠穩定，在電化學循環過程中因易發生團聚而導致“電化學燒結”現象；此外高比表面也顯著增加了與電解液的接觸，導致較多界面副反應和不可逆容量損失。另外從制備工藝來看，硅納米材料一般都需要通過化學氣相沉積技術或者磁控濺射鍍膜工藝來制備，工藝復雜且成本高，很難實現批量工業化生產。