[發明專利]一種基于光伏廢硅的硅碳負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910775618.8
• 申請日: 2019-08-21
• 公開（公告）號: CN110474032B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 劉艷俠;范亞蒙;劉凡;王璞;張鎖江;阮晶晶
• 申請（專利權）人: 鄭州中科新興產業技術研究院;中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張志軍

本發明提供了一種基于光伏廢硅的硅碳負極材料及其制備方法。所述制備方法包括以下步驟：（1）將收集的廢硅料粉碎、干燥得到廢硅粉；（2）將廢硅粉置于惰性氣氛中進行高溫除雜，經過酸洗純化和干燥后得到高純硅粉；（3）將高純硅粉加入到分散介質中，經高速球磨獲得納米硅溶液；（4）將該納米硅溶液收集并調整固含，按照一定比例加入有機碳源、導電劑和分散劑后砂磨混合均勻；（5）將混合溶液噴霧干燥并煅燒，最后獲得硅碳負極材料。該方法所制備的硅碳負極材料首效高、循環穩定性好，制備方法具有成本優勢、操作簡單、適合產業化生產。

技術領域

本發明涉及電池材料領域，具體涉及一種基于光伏廢硅的硅碳負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著移動電子產品和新能源汽車行業的高速發展，一方面市場對鋰離子電池的能量密度的要求也在日漸增加，另一方面國家政策也在大力推進高能量密度電池的發展，《促進汽車動力電池發展行動方案（2017）》明確提出，2020年鋰離子動力電池的單體比能量要超過300 Wh/kg。作為鋰離子電池的關鍵材料，負極材料的選擇對電池能量的發揮起著決定性的作用。傳統負極材料石墨的理論比容量僅有372 mAh/g，已經不能滿足高能量密度鋰離子電池的使用要求。而硅的理論容量高達4200 mAh/g，是石墨理論容量的十倍以上。為達到300 Wh/kg的目標，硅基負極匹配高鎳正極的材料體系已是行業內的共識。

雖然硅基負極材料具有廣闊的應用前景，但是硅材料在實際使用過程中仍存在技術壁壘需要突破，其中最主要問題有：1）嵌鋰后體積膨脹達到320%，而體積膨脹會進一步導致材料粉化、電極結構變化和固態電解質（SEI）膜的不斷形成；2）本征屬于半導體材料，導電性差。由于上述瓶頸問題的限制，硅材料尚且不能單獨地作為負極材料使用，目前電池材料企業主要做法是將硅與石墨、導電劑以及其它碳材料結合在一起使用，碳材料的引入可以改善硅碳負極的導電性。針對硅的體積膨脹問題，納米化是一種有效的解決方法。研究表明，當硅材料在至少一個維度上尺寸小于150 nm就可以有效地緩解體積膨脹問題，防止材料粉化破碎。

目前，市場上電池級納米硅粉大都采用等離子法和激光法制備，主要是利用SiH₄氣體為反應原料通過氣相沉積來制備，此類方法制備的納米硅粉雖然純度較高、粒徑可控，但是生產成本高、嚴重制約下游硅碳材料產業的發展。近年來，光伏產業快速發展，2018年全球多晶硅產量達到43.0萬噸，其中我國產量占比超過50%。在太陽能硅片加工的過程中，純度達到99.9999%的高純晶體硅會被切割成特定的尺寸和形狀，在此過程中約40%的高純晶體硅會成為廢棄硅塊和混合在切削液中的亞微米級廢料，因此我國每年有超過10萬噸的切削廢硅產生，其中占比約50%的亞微米級的廢硅料因對于光伏行業難以再利用而被廢棄。將光伏產業切削過程中產生的亞微米級經過提純和細化后制備電池級納米硅不僅可以實現資源化回收再利用，而且可以大大降低納米硅的生產成本、促進硅碳負極材料和鋰離子電池行業的發展。

中國專利CN104112850提供了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，將純化和改性后的微米或亞微米級硅與石墨簡單混合，并與特定粘結劑體系匹配后應用在鋰離子電池負極材料。將硅與石墨混合使用可在一定程度上緩解硅的體積膨脹，改善復合材料的導電性，但是在作為鋰離子電池負極材料使用時，硅的粒徑沒有得到合理的控制，微米級的硅仍存在較大的體積膨脹，同時沒有包覆的硅會直接與電解液接觸，隨著SEI膜的生長電解液會被不斷地消耗。中國專利CN104701491以硅片生產過程中的廢硅漿料為原料，進過干燥、酸洗、球磨和強酸腐蝕制備納米硅多孔硅，并直接將其作為鋰離子電池負極材料使用。納米硅多孔硅在一定程度上可以緩解硅的體積膨脹，但是其所采用的大量強酸腐蝕制備法會對環境造成污染、且不適合大規模生產。

發明內容