[发明专利]锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源领域，具体涉及一种锂离子电池多孔硅负极材料的制备方法技术。 

背景技术

负极研究中除碳类负极材料外，许多研究集中在具有高容量储锂特性的金属（如Al、Zn、Cu、Sn等）、半导体（Si）、金属氧化物（如CoO、Co₃O₄、Cu₂O、NiO、FeO、SnO、SiOx）、磷化物（Sn₄P₃）、锂过渡金属氮化物Li_3-xM_xN（M为Co、Cu、Ni）和磷化物Li₇MP₄（M为Ti、V、Mn）等材料上。金属氧化物首次循环效率低，且脱锂电位太高；锂过渡金属氮化物在短路或过放电时可能分解产生氮气；而嵌锂磷化物在空气中会释放出有毒气体磷化氢，有安全隐患。对于锂合金来说，在锂离子嵌/脱过程中因体积效应导致电池容量迅速衰减。研究表明，将活性母体晶粒尺寸降到亚微米或纳米级能有效减小颗粒的绝对体积变化，显著改善电极的循环稳定性。单质硅的理论嵌锂容量（Li_4.4Si vs.4200mAh/g）是石墨类负极材料理论容量（372mAh/g）的11倍，加之其嵌/脱锂电位理想、与电解液反应活性低及在地壳中储量丰富而成为下一代锂离子电池负极材料研究的热点。然而将硅作为锂离子负极材料其可逆性能并不理想，这是由于硅的本征电导率低（6.7×10^-4S/cm）及硅在锂离子嵌/脱过程中体积变化巨大（80%-40%）两个因素引起的。电导率低使活性物质颗粒间电荷传递受阻，而体积变化产生的应力会引起硅颗粒破裂、粉化，最终因与集流体失去电接触而失效。针对上述问题，目前硅负极研究主要向“低维化”和“复合化”两个方向发展。

低维化是指以一维硅纳米线或二维硅薄膜为锂离子嵌/脱母体来缓解体积效应，进而改善其循环稳定性。复合化则是将硅分散在一种电化学惰性相或电化学活性相基体中，借助于基体相吸收硅颗粒体积变化进而阻止颗粒粉化失效。由于碳基体具有质轻、体积效应小及导电性好等优点，将硅颗粒分散在碳基体中构成硅/碳复合材料已成为硅基复合材料中最广泛研究的一种。通过化学气相沉积、高温热解、喷雾热解、酚醛缩聚-热解、或碳水化合物常温脱水等方法均可在硅颗粒表面包覆无定形碳层或将硅颗粒“包埋”在无定形碳基体中，得到的复合材料循环性能较纯硅虽有显著地改善，但其长期循环稳定性不理想仍是制约以实心硅颗粒为储锂母体复合负极材料实用化的瓶颈。

已有研究证实，通过控制材料微观形貌，将其制成空心球、巢形或多孔形结构可以提高材料的可逆容量并有效改善材料的循环性能。Shina等采用电化学阳极氧化法获得了多孔单晶硅薄膜负极（孔径1-2微米），证实孔隙能促进锂离子嵌/脱反应，并对硅薄膜体积变化起到有效地缓冲作用，是电极微观结构保持稳定的重要原因。

因此，若能在多晶硅颗粒上造出呈三维分布的孔隙，三维孔隙的存在将有效缓冲锂离子嵌/脱而在任意方向上积累的应力，防止硅颗粒粉化失效，这种对体积效应具有“自吸收”作用的多孔硅粉有望获得更有益的循环性能。

多孔硅薄膜制备是通过电化学阳极氧化或化学刻蚀工艺实现的，两种工艺均利用了氢氟酸对单晶硅特定晶向择优腐蚀而实现孔隙以为生长，而在多晶硅颗粒上造孔的研究开展的较少。另一方面，氢氟酸的毒性、腐蚀性很强，对实验操作有很高的要求。因此，本发明拟采用一种无氟化的方法制备多孔硅粉。 

发明内容

本发明的目的是要提供一种无氟化制备三维多孔硅粉负极材料的方法。该方法是通过将普通的微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁。

本发明的目的是这样实现的：一种锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，包括以下步骤：

（1）制备硅化镁

微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，取一定量的硅粉和镁粉，根据硅、镁反应的化学量使镁粉过量20%，将原料研磨混匀后用容器装好，放入管式炉内，制备硅化镁；

（2）制备多孔硅负极材料

将步骤（1）得到的物料再次研磨混匀，用容器装好，放入管式炉内，高温分解硅化镁，从而得到多孔硅；反应完成后，对所得多孔硅粉用盐酸进行酸洗，以除掉粉末中残留的Mg、Mg₂Si及MgO等杂质；将酸洗后的物料烘干，放入管式炉内，进行高温处理，以除掉酸洗后粘附在硅颗粒表面上的杂质；所得物料过筛后即得到颗粒均一的多孔硅粉材料；

（3）制备多孔硅/碳复合负极材料