[發明專利]一種基于切割硅廢料制備硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極的方法

有效

• 申請號: 202010696789.4
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111799460B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 李紹元;王雷;馬文會;席風碩;張釗;萬小涵;魏奎先;陳正杰;于潔;伍繼君;謝克強;楊斌;戴永年
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;C01B33/037;C01B32/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發明涉及一種基于切割硅廢料制備硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極的方法。本發明將切割硅廢料除雜后進行金屬輔助刻蝕處理得到納米金屬/多孔硅復合材料，納米金屬/多孔硅復合材料經與硼源混合后高溫處理，使硼對硅形成替位式摻雜，再與碳材料復合得到硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極。本發明硅的多孔結構以及碳材料的加入可以緩解硅的體積膨脹，增加循環穩定性，金屬粒子在硅基體表面與硅物理復合結合硼在原子尺度上對硅的化學摻雜協同作用，最終實現硅基復合材料本征電導率的提高和電化學活性的改善，從而制備出高充放電比容量及長循環壽命的硼摻雜納米金屬/硅碳復合負極材料。

技術領域

本發明涉及一種基于切割硅廢料制備硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極的方法，屬于新能源材料和電化學技術領域。

背景技術

當前，商業化鋰離子電池大多依舊使用石墨材料作為負極材料，石墨材料循環穩定性較好，但比容量偏低。硅基負極材料的安全性高，4200mAhg^-1的理論容量使其可發展的上限非常高，但是，硅在鋰化過程中會產生非常嚴重的體積效應(300％)，致使硅材料在充放電循環過程中粉碎、生成不穩定的固體電解質界面膜，從而導致電極容量快速衰減。目前針對硅負極的這些問題大多依靠硅碳復合來解決，但是硅碳復合還是未能解決硅負極本身本征電導率低、電池首次庫倫效率低、不可逆容量高等問題。

隨著太陽能技術的發展，越來越多的太陽能設備投入使用，在太陽能設備的生產中，硅的切割大都采用金剛線多線切割工藝。但在切割過程中，40％左右的高純硅料以“鋸屑”的形式進入到切割漿料中，造成大量的硅料損失。將這部分切割廢料進行回收利用，不僅能實現資源的二次利用，而且還能帶來一定的經濟效益。

發明內容

本發明針對現有技術存在的問題，提供一種基于切割硅廢料制備硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極的方法，即將切割硅廢料除雜后進行金屬輔助刻蝕處理得到納米金屬/多孔硅復合材料，納米金屬/多孔硅復合材料經與硼源混合后高溫處理，使硼對硅形成替位式摻雜，再與碳材料復合得到硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極；本發明中硅的多孔結構以及碳材料的加入可以緩解硅的體積膨脹，增加循環穩定性，金屬粒子在硅基體表面與硅物理復合結合硼在原子尺度上對硅的化學摻雜協同作用，最終實現硅基復合材料本征電導率的提高和電化學活性的改善，從而制備出高充放電比容量及長循環壽命的硼摻雜納米金屬/硅碳復合負極材料。

一種基于切割硅廢料制備硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極的方法，具體步驟如下：

(1)金剛線切割硅廢料經干燥、破碎、研磨得到廢硅粉，攪拌條件下，將廢硅粉置于堿-醇溶液中浸泡純化處理，固液分離，去離子水洗滌固體至洗滌液為中性得到純化硅粉；

(2)將步驟(1)純化硅粉置于HF-金屬鹽-醇類溶液體系中進行金屬輔助刻蝕處理，采用去離子水超聲漂洗，固液分離，固體真空干燥并經研磨得到納米金屬/多孔硅復合材料；

(3)將步驟(2)納米金屬/多孔硅復合材料與硼源混合均勻得到混合物，混合物置于溫度為400～1200℃、保護氣氛中恒溫處理0.5-12h得到硼摻雜納米金屬/多孔硅復合材料；

(4)將步驟(3)硼摻雜納米金屬/多孔硅復合材料浸入堿溶液中浸泡處理，固液分離，固體真空干燥并經研磨得到高純硼摻雜納米金屬/多孔硅復合材料；

(5)將步驟(4)高純硼摻雜納米金屬/多孔硅復合材料與碳材料混合均勻得到硼摻雜納米金屬/多孔硅碳復合負極。

所述步驟(1)堿-醇溶液中堿的質量濃度為0.1～30％，堿類為NaOH、KOH、Ba(OH)₂、Ca(OH)₂中的一種或多種，醇類為甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、丙烯醇、乙烯醇中的一種或多種，浸泡純化處理時間為1～300min。