[发明专利]一种氮化硅微米管制造方法

说明书

技术领域

本发明属于锂电池电极制造领域，具体涉及一种氮化硅微米管制造方法，该氮化硅微米管尤其适用于锂电池负电极。

背景技术

近年来氮化硅材料用于锂电池的电极材料是一个新兴的研究课题。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体。而氮化硅结构可以应用于锂电池电极材料的制备。事实上，硅由于含有非常高的理论容量是制造负极材料的研究热门，但在快速充放电的过程中硅电极结构由于在锂离子电子的运输过程中会产生膨胀和收缩，导致其结构很容易被破坏，最终使得硅电极的容量保持能力非常差。因而在商业化的锂电池生产中我们一般使用理论容量比较低的碳作为材料。

而氮化硅微米管的结构可以很好地避开这个问题。首先，氮化硅微米管由于是中空结构，所以在充放电过程中的氮化硅结构的膨胀和收缩都不会破坏其本身的结构，这使得硅电极的容量保持能力得到显著提高。其次，氮化硅的中空结构使得电解液会更好的渗透到硅电极的结构中去，电极与电解液的接触面积也会显著增加，最后，氮化硅微米管的壁层比较薄，锂离子在运输过程中在负极中的扩散路程比较短，也会提高其本身的性能。

一般来说，氮化硅的制备方法一般分为反应烧结法和热压烧结法。比如哈尔滨工业大学的李勇霞在硕士学位论文《高性能氮化硅的制备及其性能研究》中提出使用反应烧结法制造氮化硅。反应烧结法是一种通过添加物，使反应与烧结同时进行的烧结方法。具体方法是先对硅粉通氢气去掉硅中的氧化硅，之后在硅中通氮气，加热使氮气与硅进行充分反应，这种方法生成的是粉末状氮化硅，无法形成特殊的微米级管状结构，只能适用于机械性能的使用。热压烧结法是在加热过程中加压，从而可以自定义氮化硅的结构，但这种方法制造出来的氮化硅仍然是宏观意义上的结构，无法满足锂电池所需的微观结构。用这两种结构制造出来的氮化硅结构比较密实，无法适用于制造电极结构。因而使用新方法制造氮化硅微米管作为锂电池的负极材料是比较急需的问题。

发明内容

本发明提供一种氮化硅微米管的制备方法，该方法制备过程比较简单，可重复性比较好，制备出来的氮化硅微米管结构比较理想。制备的氮化硅微米管结构比较致密，且可以形成比较好的中空结构；这种中空结构用于锂电池的化学反应有很好的作用，它可以有效解决锂电池化学反应中的物质膨胀和收缩问题，同时也可以保证电解液与其更大面积的接触。

本发明提供的一种氮化硅微米管制造方法，该方法包括下述步骤：

第1步将去除保护层的光纤表面涂覆一层均匀的石墨粉后在300～600℃的温度区间内热解，使光纤表面形成一层均匀厚度的碳膜；

第2步将表面覆盖一层碳膜的光纤在氮气条件下以1100～1600℃的温度区间高温加热，使光纤表面的碳膜与光纤表面的二氧化硅产生反应生成硅，然后生成的硅与氮气发生反应在光纤表面形成氮化硅薄膜；

第3步将形成氮化硅薄膜的光纤刻蚀掉，形成中空的氮化硅微米管。

将利用上述技术方案制备得到的氮化硅微米管与炭黑按质量比例是6:1到10:1进行混合，使氮化硅微米管增强导电性，然后在其中加入热熔型粘结剂形成混合物，再将混合物均匀涂在洗净的铜箔表面，待粘合剂干燥后得到氮化硅微米管组成的硅负极材料。

本发明制造的氮化硅微米管结构可用于制备锂电池的电极材料。本发明方法工艺流程简单，可控性强，成本比较低，所制备的氮化硅微米管结构比较理想。通过这种方法制备的氮化硅管可以在微米尺度保持管状结构，以光纤为载体，形成的氮化硅管状结构一方面可以解决在锂电池化学反应中产生的膨胀和收缩问题，同时也增加了电解液和氮化硅的接触面积，有效的增强了基底的化学性能，很适宜于锂电池负极的制造。

附图说明

图1是在光纤上制备碳膜的示意图；

图2是在光纤表面形成氮化硅薄膜的方法；

图3是形成硅微米管的示意图；

图4是本发明所制备的硅微米管的显微结构图；

图中，1表示硅以及二氧化硅的混合晶体，即光纤1，2表示碳膜，3表示氮化硅薄膜，4表示氮化硅微米管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对制造锂电池硅电极的理想材料的需求，本发明实例提供了一种氮化硅微米管的制备方法，包括如下步骤：