[发明专利]一种锂离子电池纳米硅负极材料、及其利用硅割切废屑的制备方法和应用

说明书

本发明属于物理改性硅废物回收技术领域，具体涉及一种硅割切废屑制备锂离子电池纳米硅负极材料的方法：将硅割切废屑与结构稳定剂混合，球磨整形，得整形料；随后再进行物理改性处理以及化学改性处理，即可获得高性能的硅负极材料。本发明还提供了所述的制备方法制得的硅负极材料以及在锂离子电池中的应用。本发明提出了一种利用硅割切废屑和所述的结构稳定剂进行整形、以及物理和化学改性的创新工艺，且发现该创新工艺能够出人意料地制得具有良好纳米形貌、导电性优异、具有高容量和长循环稳定性的电池级纳米硅材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，特别是涉及一种硅割切废屑制备高性能锂离子电池纳米硅负极材料的方法。

背景技术

目前，受限于石墨材料低的理论容量，锂离子电池的能量密度及功率密度难以突破。开发具有高比容、稳定结构、优循环稳定性的新型锂离子电池负极材料对于锂离子电池性能的提升及应用的拓展具有现实意义。在众多被研究的可替代负极材料中，硅材料因其超高理论嵌锂容量而被看好。然而硅材料存在的一些问题，如自身导电性差、嵌脱锂过程中的体积变化大、结构不稳定等，严重阻碍了硅材料的商业化应用。为解决硅材料上述问题，对其进行的研究表明，采用纳米级硅可以很好地缓解其体积效应，缩短锂离子传输路径，提升其电化学性能。

当前纳米硅粉的制备方法主要有去合金化法、气相沉积法、金属热还原法、高能球磨法等，所需的硅源主要为价格昂贵的高纯硅烷、高纯晶体硅等，所涉及的制备条件较为苛刻、流程长、产率低，因而制备成本较高，同时也带来环境污染问题。因此，合适硅源的获得及低成本高效制备纳米硅材料是推进硅负极材料产业化的关键问题。

晶体硅是制备太阳能电池和半导体器件最为重要的材料，而硅切割废屑是在对晶体硅铸锭进行切割成硅片的过程中所产生的切割废料。由于其特殊的加工过程，这种废料纯度高，含有微量的金属元素且为纳微尺寸。但是，该废料的成分以及形貌因素导致直接应用至电池负极可能会污染电解液，降低库伦效率，破坏电池体系，造成电池性能的快速衰减。而现有的处理工艺，存在着能耗高，效果差，过程复杂等问题，很难满足锂离子电池行业大规模产业化的要求。此外，该废料的尺寸不均匀，形貌不规则，直接用作锂离子电池负极易造成堆积密度低、性能不均一等问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种硅割切废屑(本发明也称为硅割切废料，或者晶体硅废料)制备高性能锂离子电池纳米硅负极材料(本发明也称为硅负极活性材料)的方法，使用所述负极材料制备的锂离子电池的容量、循环性能、倍率性能、使用寿命高于当前的石墨负极材料、普通的纳米硅材料及硅基复合材料。

本发明第二目的在于，提供了一种所述制备方法制得的锂离子电池纳米硅负极材料。

本发明第三目的在于，提供一种锂离子电池纳米硅负极材料作为负极活性材料的应用。

行业内已有少量通过硅废料制备电池材料的方法，主要思路在于对废料进行提纯，获取高纯硅，再定向熔炼成硅块制备成电池材料，或与其他材料复合获得电池材料。现有技术中，还没有报道将硅割切废屑回收获得直接可用作负极活性材料的思路以及技术方案。本发明以此为发明目的，旨在提供一种利用硅割切废屑制得高价值的锂电硅负极活性材料，但研究发现，硅割切废屑的成分特性，形貌以及半导体性质难于满足锂电负极材料的所要求的形貌、电导特性等要求，致使技术开发早期，难于获得理想电化学性能的硅负极活性材料。经过不断研究探索，本发明人终于发现，对所述的硅割切废屑和特殊的结构稳定剂进行整形、进一步配合特殊温度的物理以及特殊的化学修饰工艺，可以意外获得高电化学性能的可直接作为负极活性材料的硅材料，该技术方案为：

一种硅割切废屑制备锂离子电池纳米硅负极材料的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：将硅割切废屑与结构稳定剂混合，球磨整形，得整形料；所述的结构稳定剂为碱金属和/或碱土金属的氯化物；所述的硅割切废屑中含有金属成分；