[发明专利]一种金刚线切割废硅粉的改性方法及应用

说明书

本发明公开了一种金刚线切割废硅粉的改性方法及应用，属于硅材料制备技术领域；将金刚线切割废硅粉使用酸性溶液浸泡后再在高温下煅烧；再使用氢氟酸浸泡，并结合磁力搅拌获得表面改性硅粉；本发明得到的碳硅负极材料有利于缓解硅的体积效应，有效减少硅材料与电解液之间的副反应；以低成本方式将金刚线切割废液中的硅材料用于制备锂电池硅基负极材料，实现金刚线切割废料的再利用，并实现巨大的经济效益。

技术领域

本发明属于硅材料制备技术领域，具体涉及一种金刚线切割废硅粉的改性方法及应用。

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，提供一种金刚线切割废硅粉的改性方法，通过改性之后，金刚线切割废硅粉的颗粒结构发生变化，这种结构可应用于锂电池负极材料的制备，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，步骤a）所述的漂洗并干燥是使用电阻率≥10~15兆欧的DI水、乙醇混合液进行5~20次的漂洗，所述的干燥温度50~200℃，维持时间2~8h。

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。