[發明專利]泡沫狀硅粉及其制備方法、鋰離子電池

有效

• 申請號: 201711267352.3
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN108054355B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 王振宇;朱凌云;何旻雁;劉鑫雨;趙霞妍
• 申請（專利權）人: 桂林電器科學研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 11021 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 任巖

本發明公開了一種鋰離子電池負極用泡沫狀硅粉及其制備方法。其中，泡沫狀硅粉的制備方法，包括：在硅鎂合金粉末的表面包覆錫鉍合金層；將包覆有錫鉍合金層的硅鎂合金粉末進行固相擴散熱處理，以促進包覆層中的錫和鉍金屬與鎂反應結合；將固相擴散熱處理后的硅鎂合金粉末進行氧化處理；以及將氧化處理之后的硅鎂合金粉末進行酸洗去除錫、鉍和鎂、在含碳有機物的介質中球磨以及煅燒，得到表面含有碳導電層的微孔結構的泡沫狀硅粉。克服了現有技術中的車間鎂粉粉塵易著火、爆炸的安全風險，適宜工業化批量生產，泡沫狀硅粉為微孔結構，微孔空隙均勻，粉末整體氧含量低于5％；作為負極材料具有較好的導電性和較大的首次充放電庫倫效率。

技術領域

本發明屬于電池材料制備技術領域，涉及一種泡沫狀硅粉及其制備方法、鋰離子電池。

背景技術

由于硅具有比石墨負極高十倍以上的理論比容量(硅的理論比容量值為：4200mAh/g)，利用硅代替現在常用的石墨負極已成為高能量密度動力電池研究的目標。硅作為負極在使用中有以下缺點：體積膨脹大，硅顆粒易破裂、粉化；首次充放電庫倫效率低；阻抗高；針對上述缺點，一系列的改進方法已被證實有效，如利用納米尺度硅顆粒可減少大塊硅的破裂，采用多孔結構硅顆粒可緩解充電過程中的體積膨脹，而表面包覆碳層則可改善硅的導電性等等。在上述研究結果的基礎上，納米硅晶體構成的多孔硅粉的制備方法已成為電池材料的研究熱點。

制備納米硅粉的方法有高能球磨法、等離子體加熱蒸發冷凝法、化學法等。高能球磨方法適用普遍，但制備納米硅粉費時，且粉末表面多孔結構難以形成。等離子體加熱蒸發冷凝法設備復雜，原材料的選取以及后續工藝處理過程的選擇也存在一定的局限性，比如：有些研究中，制備的納米硅一次顆粒球形度雖高，但這種球形納米硅難以結合形成有大量空隙的二次聚合硅顆粒，不利于后續工藝處理；有些研究中，制造的納米硅粉比表面積大，但利用硅烷制造納米硅粉，原材料成本較高。化學法制備納米硅粉存在化學試劑具有環境污染的問題，有研究利用氫氟酸處理二氧化硅跟硅的混合物獲得納米硅，其使用的氫氟酸，有高腐蝕性，不易操作，環境污染問題也難以解決。

制備多孔硅粉的方法中，有些方法制備的硅粉存在硅顆粒大、一次顆粒粒度較大、均勻性較差的缺點；有些方法在合成硅鎂合金粉的工序中，因為使用大量鎂粉，生產工序必須有嚴密的環境控制手段如氦氣保護以減少鎂粉塵的爆炸風險；在進行脫鎂處理的過程中，溫度常常高于鎂的燃點，使得鎂極易著火燃燒氧化，引起粉末整體高溫自燃過燒，導致硅氧化和硅顆粒急速長大，因此用這種方法工業化生產多孔納米硅粉工藝控制難度很大，特別是難以控制納米硅粉的粒度；也有研究利用金屬氯化物熔鹽介質長時間保溫(10h～15h)分解硅鎂合金粉，再通過鹽酸酸洗獲得多孔硅的方法，此方法消除了工業化生產中鎂的著火燃燒風險，但工藝要求長時間保溫，存在粉末制備效率低的問題。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種泡沫狀硅粉的制備方法及含其的負極材料、鋰離子電池，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種泡沫狀硅粉的制備方法，包括：在硅鎂合金粉末的表面包覆錫鉍合金層；將包覆有錫鉍合金層的硅鎂合金粉末進行固相擴散熱處理，以促進包覆層中的錫和鉍金屬與鎂反應結合；將固相擴散熱處理后的硅鎂合金粉末進行氧化處理；以及將氧化處理之后的硅鎂合金粉末進行酸洗去除錫、鉍和鎂、在含碳有機物的介質中球磨以及煅燒，得到表面含有碳導電層的微孔結構的泡沫狀硅粉。