[发明专利]用于制备多孔硅微粒的电化学和化学蚀刻的组合方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年01月07日提交的美国临时申请第61/749,636号的优先权。本申请还涉及2012年08月20日提交的美国专利申请号13/589,588以及2010年10月28日提交的国际申请号PCT/US2010/054577。上述各申请的全部内容通过引用纳入本文。

关于联邦资助研究的声明

不适用

背景技术

制备多孔硅颗粒的现有方法遭受许多限制，包括效率、质量、电化学效能和成本有效性。因此，现在需要一种新的制备多孔硅颗粒的方法以解决前面所提到的局限性。

概述

在一些实施方式中，本发明涉及制备多孔硅微粒的方法。在一些实施方式中，所述方法包括：(a)电化学蚀刻硅基材,其中电化学蚀刻包括将硅基材暴露于电流密度,和其中电化学蚀刻在硅基材上制备多孔硅膜；(b)从硅基材分离多孔硅膜,其中该分离包括以连续增量逐渐增加电流密度；(c)多次重复步骤(a)和(b)；(d)根据步骤(a)电化学蚀刻硅基材以在硅基材上制备多孔硅膜；(e)化学蚀刻多孔硅膜和硅基材；和(f)裂解多孔硅膜和硅基材以形成多孔硅微粒。

在一些实施方式中,电化学蚀刻包括使用酸例如氢氟酸。在一些实施方式中,电化学蚀刻包括把硅基材暴露于约1mA/cm²-约10mA/cm²的电流密度。在一些实施方式中,分离步骤中的电流密度的逐渐增加包括通过每连续增量约1-2mA/cm²来增加电流密度。

在一些实施方式中,通过把多孔硅膜和硅基材暴露于金属(包括过渡金属和准金属)来进行化学蚀刻。在一些实施方式中,该金属选自下组：银、铜、铬、金、铝、钽、铅、锌、硅及其组合。在一些实施方式中,暴露导致使用金属涂覆多孔硅膜和硅基材。

在一些实施方式中,通过下述的至少一种来进行裂解：物理研磨、粉碎、声波裂解法(sonication)、超声波裂解法、超声波断裂、粉碎(pulverization)、超声波粉碎及其组合。在一些实施方式中，通过超声波裂解法来进行裂解。

在一些实施方式中,本发明的方法还包括下述步骤：使用粘合材料结合形成的多孔硅微粒。在一些实施方式中,粘合材料选自下组：粘合剂、碳材料、聚合物、金属、添加剂、碳水化合物及其组合。在一些实施方式中,粘合材料包括碳化聚丙烯腈。

在一些实施方式中,本发明的方法还包括下述步骤：控制用于形成多孔硅微粒的多孔硅膜的厚度。在一些实施方式中,通过调节选自下组的一种或更多种参数来控制多孔硅膜的厚度：电化学蚀刻时的电流密度、电化学蚀刻时的硅基材电阻率、电化学或化学蚀刻时使用的电解质蚀刻剂的浓度、电化学或化学蚀刻时的温度，及其组合。

本发明的其它实施方式涉及用本发明的方法形成的多孔硅微粒。本发明的其它实施方式涉及包含本发明的多孔硅微粒的阳极材料。在一些实施方式中,本发明的阳极材料在至少50次循环后放电容量为至少约600mAh/g。在一些实施方式中,本发明的阳极材料在至少50次循环后放电容量为至少约1000mAh/g。在一些实施方式中,本发明的阳极材料在至少50次循环后库伦效率为至少约90％。

在一些实施方式中,本发明的阳极材料用作储能设备例如电池的组件。在更具体的实施方式中,本发明的阳极材料用作锂离子电池的组件。

附图简要说明

图1提供用于制备多孔硅微粒(PSP)的方法的示意图。

图2提供说明制备多孔硅微粒的方法。图2A提供显示在1-10mA/cm²的电流密度下保持1-4小时来从硅晶片形成多孔硅膜。图2B-2C提供多孔硅膜的俯视图(图2B)和侧视图(图2C)的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3提供电化学和化学蚀刻的多孔硅微粒(图3A)和化学蚀刻的多孔硅微粒(图3B)的SEM图像。电化学和化学蚀刻的多孔硅微粒的其它图像见图3C-E。

图4显示图3所示的多孔硅微粒在恒电流充电/放电研究中放电容量和效率随循环次数的变化。显示了用于电化学和化学蚀刻多孔硅微粒的放电容量(红色正方形,A)和库伦效率(蓝色正方形,C)，以及用于化学蚀刻的多孔硅微粒的放电容量(红色三角形,B)和库伦效率(蓝色三角形,D)。