[发明专利]用于锂电池负极的复合硅碳颗粒

说明书

本发明公开了用于锂电池负极的复合硅碳颗粒，属于硅材料制备技术领域；包括球形的碳颗粒和片状的硅颗粒，碳颗粒的粒径为200‑300nm，碳颗粒的表层与多个所述的硅颗粒的侧壁相连接；硅颗粒包括片状单质硅内芯，片状单质硅内芯上下表面具有氧化硅外层，氧化硅外层上贯通分布有多个孔洞；本发明的片状硅颗粒结构，有利于与石墨充分混合形成分枝状或网络状结构，有利于缓解硅的体积效应，与碳颗粒形成的空间交错结构使硅颗粒与碳颗粒的结合更加稳定，电极材料在充放电过程中，形成的硅碳颗粒在集流体上不易粉化从集流体上剥落，不易形成新的固相电解质层，提高锂电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于硅材料制备技术领域，具体涉及用于锂电池负极的复合硅碳颗粒。

背景技术

锂离子电池是目前储能技术中应用最广泛的储能电芯，提高电芯能量存储密度是全世界追求的目标，电芯能量密度的提高主要依赖于其正、负极材料的发展进步。

人们普遍采用碳基负极材料作为锂离子电池的负极材料，但碳基负极材料能量密度低(理论比容量372mAh/g，实际可逆比容量为330mAh/g)。硅是目前已知比容量（理论比容量4200mAh/g）最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应（>300%），硅电极材料在充放电过程中会粉化而从集流体上剥落，使得活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层SEI，最终导致电化学性能的恶化。

晶体硅切片约40%的材料通过金刚线切割变成粉末流失，以多晶硅棒为例，2018年8月份每公斤约105元，2018年上半年产量约50GW，折合晶棒约20万吨，切片流失40%，折合10万吨，而且该粉末粒径过小（粒径分布200nm~2.5um），常规方法无法处理，对环境保护形成较大的压力。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，解决光伏行业晶体硅金刚线切片后废料无法回收利用的问题，提供一种利用金刚线切割废硅粉制备的用于锂电池负极的复合硅碳颗粒，可解决因硅负极嵌锂和脱锂导致的硅负极结构崩坍、粉化的现象。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：利用金刚线切割废硅粉制备锂电池负极材料的方法，包括以下步骤：

a）将金刚线切割废硅粉使用0.1~0.5mol/L的盐酸、质量分数为30%~50%的硫酸、20%~45%的硝酸的混合溶液浸泡3~6h；之后漂洗并干燥。

b）在惰性气体保护下，将干燥后的金刚线切割废硅粉在180~260℃高温煅烧2~5小时；再使用0.03~0.08mol/L的氢氟酸浸泡，并磁力搅拌30~100min，获得表面改性硅粉A。

c）对表面改性硅粉A采用湿法研磨的方法进行粒径一致性处理得到一致性硅粉B，所述的一致性硅粉B粒径为D95粒径 30~50nm，且D20粒径<10nm。

d）从所述的一致性硅粉B中分选出粒径为30~50nm的分选硅粉C，将所述的分选硅粉C进行碳化处理后，得到锂电池硅碳负极材料。

优选的，在所述的步骤a）前先去除金刚线切割废硅粉中残存的杂质。

优选的，所述的盐酸、硫酸、硝酸体积比为1-2.5:0.8-1.5:1。

优选的，其特征在于，盐酸、硫酸、硝酸的混合溶液的温度为40-80℃。

优选的，所述的步骤b）的磁力搅拌叠加强迫振动，并形成强迫对流，强迫振动包括超声、机械搅拌、反应器晃动、电磁振动的任意一种。

所述的粒径一致性处理是将所述的表面改性硅粉A按照粒径每增加100-200nm进行分档形成不同粒径级别的表面改性硅粉，将各个级别的表面改性硅粉加入混合液H，进行研磨后干燥混合得到所述的一致性硅粉B，所述的混合液H包括分散剂、表面活性剂、添加剂，所述的添加剂为二乙醇胺或三乙醇胺。