[发明专利]一种凸面镜状硅纳米片材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种凸面镜状硅纳米片材料及其制备方法和应用，其中凸面镜状硅纳米片材料中间厚边缘薄，类似凸面镜的形状，其厚度小于5nm，横向尺寸为50～150nm，制备方法为：一、插层分离，插层以增大蒙脱土中硅层和铝层层间间距，超声振荡破坏层间键合力，使硅层和铝层分离；二、镁热还原得到硅纳米片等固体混合物；三、酸洗除杂，得到凸面镜状硅纳米片。本发明具有原料易得，价格低廉，制备工艺简单的优点，并且得到的这种凸面镜状硅纳米片可以用作锂离子电池负极材料，表现了较为优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，更具体的说是涉及一种凸面镜状硅纳米片材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池是一种非常重要的储能技术，随着其在电动车和储能领域的应用与发展，传统的石墨类负极材料已不能满足高能锂离子电池的容量需求，因此，开发高容量、性能优异的负极材料成为了当前的研究热点。

硅材料由于具有极高的理论储锂容量(4200mAh/g)、低脱嵌锂电位，并且储量丰富，因此，硅材料被认为是最有可能替代石墨的负极材料。然而，硅材料的导电性较差，并且用作电极使用时随着脱嵌锂过程的进行体积膨胀收缩比较严重，约高达400％，由此引发SEI膜不稳定、容量衰减较快等一系列问题。许多文献研究发现降低硅材料的维度、减小硅材料的尺寸能够显著改善上述问题，2D硅纳米片材料具有更快的锂离子扩散速率、更低的扩散势垒、更大的临界应力，因此逐渐被广泛研究并应用于锂离子电池负极材料中。

参见文献[Ziyang Lu.et al.Chem.Mater.2011,23,5293-5295.]，Lu等人以氧化石墨烯作为模板制备了直径不均(400nm、4μm和10μm等)的硅纳米片，其尺寸很大程度上取决于氧化石墨模板的尺寸，并且制备过程复杂，需要多步反应；专利CN108183204A公开了使用Li₁₃Si₄作为硅源合成硅纳米片的方法，并将其与石墨烯复合，该材料具有良好的循环稳定性，但是Li₁₃Si₄在潮湿空气中易自燃，安全性较差。

因此，如何提供一种制备方法简单易行、安全性高、厚度小并且综合性能优异，能够用于锂离子电池负极材料的硅纳米片材料及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚度较薄的硅纳米片的制备方法，通过对蒙脱土进行插层分离得到单层硅氧化物，能够有效的增大镁热还原过程中镁与硅氧化物的接触面积，既有利于更好地保持原有的二维结构，又保证得到的硅纳米片材料厚度较薄；此外，本发明制备的这种凸面镜状硅纳米片材料可以用作锂离子电池的负极材料能够表现出优异的电化学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种凸面镜状硅纳米片材料，所述硅纳米片材料中间厚，边缘薄，呈凸面镜的形状。

优选的，在上述一种凸面镜状硅纳米片材料中，所述硅纳米片材料的厚度≤5nm，横向尺寸为50～150nm。

本发明还提供了一种凸面镜状硅纳米片材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)插层分离：将蒙脱土溶于盐酸盐溶液中，室温下搅拌反应，依次经过超声振荡，真空过滤，洗涤，真空干燥后，得到单层硅氧化物；

本发明以蒙脱土和盐酸盐为原料，一方面Cl^-与蒙脱土中的Al有很强的结合能力，可以削弱铝氧八面体层与硅氧四面体层的结合能力；另一方面蒙脱土片层结构容易吸附Na⁺、K⁺、Ca²⁺、NH⁴⁺等阳离子，阳离子起到插层剂的作用，扩大硅氧四面体和铝氧八面体之间的层间距，削弱硅氧层和铝氧层之间的结合能力；