[發明專利]一種微米硅粉的制備方法

有效

• 申請號: 202010003740.6
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN111137896B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 周云輝;王旭峰;李飛;胡延韶;谷小虎;王麗;張靜;吳祖杰;李龍;劉廣山;楊旭;王育紅;方世東
• 申請（專利權）人: 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司;中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: C01B33/021
• 分類號: C01B33/021;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 鄧治平

本發明采用等離子體方法對硅粉進行處理，制備微米硅粉。其特征在于該方法在液體介質中進行等離子體放電處理前先對硅粉進行表面刻蝕；該方法制備所得的微米硅粉可用于制備鋰離子負極材料。所達到的技術效果是，能在一定程度上可降低顆粒內部應力，緩解體積膨脹問題，提高負極的循環性能；有效地改進鋰電池的性能，屬于節能環保工藝方法。

技術領域

本發明涉及硅粉材料領域，以及使用微米硅粉制備鋰離子電池負極材料領域。

背景技術

當前，商業化的鋰離子電池多使用碳基材料作為負極材料，然而其比容量偏低，例如石墨負極材料的極限比容量只能達到370mAh/g，不能滿足電動汽車和儲能技術需求。

硅的理論比容量能達到4200mAh/g，是商業化石墨的理論比容量的十倍以上；而且硅的嵌鋰電位略高于石墨，較高的嵌鋰電位可以避免在充電時生成鋰枝晶，其安全性能優于石墨；硅作為半導體性質較為穩定，與電解液的反應活性低。還有非常重要的是，硅與碳一樣，地球上儲量豐富且成本較低。盡管硅材料具有上述不可比擬的優勢，但是循環過程中巨大的體積膨脹(280％～300％)卻成為了其商業化進程中最大的障礙。為了克服這一點，人們采用了各種方法對其進行改性，以期可以盡快地將其應用于商業化鋰電中。

目前對于高容量硅負極材料的改性主要采用表面改性、摻雜、復合等方法，形成包覆或高度分散的體系，通過提高材料的力學性能，以緩解脫/嵌鋰過程中的體積膨脹產生的內應力對結構的破壞。如采用具有導電性的高聚物彈性體或碳材料進行納米硅的表面包覆；采用高導電及高機械強度的納米線或網絡結構作為非晶態納米硅的載體；在高導電及高機械強度的納米線表面沉積納米硅層，形成核殼納米線陣列。

等離子體是在特定的條件下，如采取加熱、外加電場、激光照射、燃燒、沖擊波等手段使氣體部分或者完全電離而產生的非凝聚體系。它由中性的原子或分子、激發態的原子或分子、自由基、電子或負離子、正離子以及輻射光子組成。體系內正負電荷數量相等，整個體系呈現電中性。等離子體的狀態主要取決于它的組成粒子、粒子密度和粒子溫度。依據等離子體的粒子溫度，可以把等離子體分成兩大類，即熱平衡等離子體和非平衡態等離子體。其中電子溫度和離子溫度相等的等離子體，稱為熱平衡等離子體。在液體放電時，由于外在電場作用，使自由電子加速，自由電子通過碰撞將能量傳遞給中性原子和分子，使反應物分子激發、離解和電離，產生更多的二次自由電子、電離更多的中性粒子，最終成為導電介質形成電流，因此得到了非常廣泛的應用。低溫等離子體中含有各種離子、自由基、光子、電子、激發態原子和分子等高能量的活性粒子，液體放電產生的等離子體與毫米硅粉能量交換主要靠粒子(帶電粒子和中性粒子)碰撞和光輻射(主要是紫外光)作用于硅粉來實現的，這些能量轉移的過程就是硅粉被剝離形成微米硅粉的根本原因。

現有技術中CN102910630A采用等離子體制備納米硅粉，其采用的是氣體狀態下放電的方式，條件較為苛刻，得到的是納米級硅粉。

發明內容

本發明采用液體等離子體技術對毫米硅粉進行處理，形成微米硅粉，用來制備鋰離子負極材料。在一定程度上會降低顆粒內部應力，緩解體積膨脹問題，提高負極的循環性能。用來制備鋰離子負極材料。有效地改進鋰電池的性能，屬于節能環保工藝方法。

本發明的目的是針對上述現有技術中存在的問題，提供一種鋰離子硅負極材料制備方法。

本發明在液體介質中進行等離子體放電，條件更為溫和，避免了等離子弧0.2-0.6Mpa的工作壓力、幾千甚至上萬度的加熱這樣比較苛刻的條件；此外，本發明的硅粉在等離子體處理前，采用工作液體進行處理，在硅粉表面形成微刻蝕，導致硅粉表面粗化，增大表面積，并且有利于在等離子體液態放電時，增加等離子體對毫米級硅粉的表面反應，加速硅粉剝離形成微米級硅粉；然后在等離子放電產生的大量熱量的作用下，形成微米級硅粉后，快速冷卻，以便固化其形態，形成球狀硅粉。

本發明的技術方案具體如下：