[發明專利]用于鋰電池負極的硅碳顆粒

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• 申請號: 201811064374.4
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109167046A
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 張軍彥;吳洪坤;周社柱;薛巍;王起飛
• 申請（專利權）人: 山西中電科新能源技術有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;C01B32/182
• 代理公司: 太原高欣科創專利代理事務所(普通合伙) 14109
• 代理人: 崔雪花;冷錦超

本發明公開了用于鋰電池負極的硅碳顆粒，屬于硅材料制備技術領域；包括球形的碳顆粒和球形的硅顆粒，硅顆粒與碳顆粒的粒徑比為0.6?1:4?6，碳顆粒的表層連接有多個硅顆粒；其中，球形的硅顆粒包括球狀單質硅內芯，球狀單質硅內芯表面包裹有氧化硅外層，氧化硅外層上貫通分布有多個孔洞；本發明的硅顆粒結構，有利于與石墨充分混合形成球狀結構，有利于緩解硅的體積效應，與碳顆粒形成的球狀包裹結構使硅顆粒與碳顆粒的結合更加穩定，電極材料在充放電過程中，形成的硅碳顆粒在集流體上不易粉化從集流體上剝落，不易形成新的固相電解質層，提高鋰電池的電化學性能。

技術領域

本發明屬于硅材料制備技術領域，具體涉及用于鋰電池負極的硅碳顆粒。

背景技術

鋰離子電池是目前儲能技術中應用最廣泛的儲能電芯，提高電芯能量存儲密度是全世界追求的目標，電芯能量密度的提高主要依賴于其正、負極材料的發展進步。

人們普遍采用碳基負極材料作為鋰離子電池的負極材料，但碳基負極材料能量密度低(理論比容量372mAh/g，實際可逆比容量為330mAh/g)。硅是目前已知比容量（理論比容量4200mAh/g）最高的鋰離子電池負極材料，但由于其巨大的體積效應（>300%），硅電極材料在充放電過程中會粉化而從集流體上剝落，使得活性物質與活性物質、活性物質與集流體之間失去電接觸，同時不斷形成新的固相電解質層SEI，最終導致電化學性能的惡化。

晶體硅切片約40%的材料通過金剛線切割變成粉末流失，以多晶硅棒為例，2018年8月份每公斤約105元，2018年上半年產量約50GW，折合晶棒約20萬噸，切片流失40%，折合10萬噸，而且該粉末粒徑過小（粒徑分布200nm~2.5um），常規方法無法處理，對環境保護形成較大的壓力。

發明內容

本發明克服現有技術的不足，解決光伏行業晶體硅金剛線切片后廢料無法回收利用的問題，提供一種利用金剛線切割廢硅粉制備的用于鋰電池負極的硅碳顆粒，可解決因硅負極嵌鋰和脫鋰導致的硅負極結構崩坍、粉化的現象。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：利用金剛線切割廢硅粉制備鋰電池負極材料的方法，包括以下步驟：

a）將金剛線切割廢硅粉使用0.1~0.5mol/L的鹽酸、質量分數為30%~50%的硫酸、20%~45%的硝酸的混合溶液浸泡3~6h；之后漂洗并干燥。

b）在惰性氣體保護下，將干燥后的金剛線切割廢硅粉在180~260℃高溫煅燒2~5小時；再使用0.03~0.08mol/L的氫氟酸浸泡，并磁力攪拌30~100min，獲得表面改性硅粉A。

c）對表面改性硅粉A采用濕法研磨的方法進行粒徑一致性處理得到一致性硅粉B，所述的一致性硅粉B粒徑為D95粒徑 30~50nm，且D20粒徑<10nm。

d）從所述的一致性硅粉B中分選出粒徑為30~50nm的分選硅粉C，將所述的分選硅粉C進行碳化處理后，得到鋰電池硅碳負極材料。

優選的，在所述的步驟a）前先去除金剛線切割廢硅粉中殘存的雜質。

優選的，所述的鹽酸、硫酸、硝酸體積比為1-2.5:0.8-1.5:1。

優選的，其特征在于，鹽酸、硫酸、硝酸的混合溶液的溫度為40-80℃。

優選的，所述的步驟b）的磁力攪拌疊加強迫振動，并形成強迫對流，強迫振動包括超聲、機械攪拌、反應器晃動、電磁振動的任意一種。

所述的粒徑一致性處理是將所述的表面改性硅粉A按照粒徑每增加100-200nm進行分檔形成不同粒徑級別的表面改性硅粉，將各個級別的表面改性硅粉加入混合液H，進行研磨后干燥混合得到所述的一致性硅粉B，所述的混合液H包括分散劑、表面活性劑、添加劑，所述的添加劑為二乙醇胺或三乙醇胺。