[发明专利]硅纳米粒子的生产改进及其用途

说明书

本发明公开了一种用于从硅原材料产生硅纳米粒子的方法，所述方法包括如下步骤：将硅原材料与至少一种合金化金属合金化以形成合金；之后，加工所述合金以形成合金纳米粒子；并且之后，从合金纳米粒子中蒸馏出合金化金属，从而得到硅纳米粒子。

技术领域

本发明涉及硅纳米粒子的生产以及包含这些硅纳米粒子的组件和器件。

背景技术

硅纳米粒子具有各种商业应用，包括例如作为用于制造太阳能电池器件和电池器件的负极元件的材料。目前用于大规模生产硅纳米粒子的某些方法涉及使用气相沉积或雾化，所述方法在大规模实施时倾向于相对昂贵，并且这些方法还倾向于产生具有不合需要的微结构的硅纳米粒子，所述微结构不适用于太阳能电池和电池应用。Siemens开发的技术(即“西门子方法(Siemens process)”)已用于制造具有适用于太阳能电池应用的纯度的硅纳米粒子。然而，这个方法被认为是相对昂贵和非环境友好的，因为据估计耗费约200MW·Hr的电力来制造1吨太阳能级硅。已经开发碳热还原方法作为西门子方法的潜在替代方法，但是，这些方法不能制造具有太阳能级品质的硅纳米粒子，因为碳内固有含有的杂质如硼和磷不能去除到适当的低水平(即百万分率或十亿分率的水平)。应了解，与利用现有商业方法制造硅纳米粒子相关的相对较高的成本也增加了包含硅纳米粒子的太阳能电池和电池器件组件的整体制造成本，因此人们认为需要解决这个问题。

人们还认为，市场上现有的具有包含硅纳米粒子的组件的某些器件除了这些组件的制造成本以外还存在不足。太阳能电池器件例如通常可包含相对刚性和庞大的面板结构，这使得这些器件不适于存储、运输和安装。另一方面，发现硅在可再充电锂离子电池的负极中作为石墨的替代材料的使用正在增加，因为硅能够在充电期间存储比石墨大得多的锂离子容量。但是，当完全充电时，硅通常可膨胀到其普通体积的3倍以上，这倾向于破坏负极内的电接触并且在硅材料中引起破裂，水分通过所述破裂渗入负极中从而进一步危害负极的工作。缓解这个问题的一种方法是简单地将电池充电到其全部容量的部分量来限制负极中硅的膨胀量。另一种方法是在负极材料中提供石墨和硅粒子的混合物来设法在改善锂离子存储容量(借助于硅纳米粒子)与减少负极材料整体膨胀量之间取得平衡(借助于比硅膨胀程度小得多的石墨粒子)。然而，这些方法倾向于使电池中负极材料的整体潜在存储容量的使用效率变低。因此，人们认为需要解决由电池的负极材料中的硅纳米粒子膨胀引起的问题以便利用硅负极材料的高存储容量。

发明内容

本发明设法减轻上述问题中的至少一种。

本发明可涉及数种广泛形式。本发明的实施方式可包括本文描述的不同广泛形式中的一个或任何组合。

在一个广泛形式中，本发明提供一种用于从硅原材料产生硅纳米粒子的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)使硅原材料与至少一种合金化金属合金化以形成合金；

(ii)加工合金以形成合金纳米粒子；以及

(iii)从合金纳米粒子中蒸馏出合金化金属，从而基本上产生硅纳米粒子。

优选地，步骤(ii)包括形成直径约在100-150nm范围内的合金粒子。

优选地，步骤(ii)可包括球磨合金以形成合金纳米粒子。

优选地，步骤(ii)可在受控环境中进行以减少合金纳米粒子的氧化。通常，所述受控环境包括研磨室，在研磨室中，将合金与设置在研磨室中的惰性气体、油、柴油、煤油、脱水乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮(“NMP”)和其他适合的有机溶剂中的至少一种一起球磨。

或者，合金可呈液态，并且步骤(ii)可包括将合金雾化以形成合金纳米粒子。

优选地，步骤(iii)可包括在真空炉中从合金纳米粒子中蒸馏出合金化金属。