[发明专利]提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法，所述材料使用光伏硅泥为原料，通过粒度优化处理得到二维片层/类球形颗粒纳米硅，然后与小颗粒石墨复合制备得到。其中材料内部为多孔结构，孔来源为洗涤去除硅泥中含有的金属/盐类杂质得到和材料制备过程产生的交联网络结构。孔结构为锂离子传输提供通道，石墨烯和热解碳形成的导电层提升电子迁移率。石墨及多孔结构为硅膨胀提供缓冲，提升材料循环稳定性，外部包覆碳层抑制硅与电解液接触稳定表面SEI膜。本发明思路与工艺新颖，得到的硅碳材料首效高、电化学稳定性优异，具有很好的产业化应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法。

背景技术

新能源行业在未来将持续高速发展，为动力电池发展提供了重大机遇，同时也提出了更高的要求。《促进汽车动力电池发展行动方案（2017）》明确提出，2020年锂离子动力电池单体能量密度要超过300 Wh/kg，2025年后达到400 Wh/kg的要求。

负极材料对提升电池能量密度至关重要，石墨负极理论容量低，已不能满足日益增长的能量密度的要求。硅材料脱嵌锂容量高、电位适宜、安全性好等优势，有望成为下一代负极材料的首选，市场前景广阔。硅在充放电过程中的体积膨胀是影响其应用的关键。研究表明。负极材料中Si的粒径不能超过150nm，颗粒尺寸过大会造成电极破裂与材料粉化、脱落。目前纳米硅的主要制备方法有气相沉积法、物理气相沉积法和镁热还原法等，制备成本较高，每公斤纳米硅价格高达2000元以上，因此亟需开发成本低廉的纳米硅。

近年来，光伏产业发展迅速，2018年全球多晶硅产量达到43万吨，我国产量占比超过50%。在硅片加工过程中，高纯硅晶体约有40%的损耗而成为硅泥，我国每年产生硅泥超过10万吨，造成资源浪费与环境污染。将硅泥提纯并制备纳米硅，既能实现资源的高值化利用，又能大大降低负极材料硅碳的制备成本。

中国专利CN110474032A公开了一种基于光伏废硅的硅碳负极材料及其制备方法，制备材料为类球形复合材料，先将干燥后的硅粉高速球磨得到纳米硅溶液，然后加入碳源、导电剂和分散剂后砂磨混合均匀，喷雾干燥并煅烧得到。有机物热解形成无定型碳层包覆在片状纳米硅表层，内部由包覆纳米硅与导电剂构成。其中片状纳米硅是经过粉碎、干燥后高温除杂并高速球磨得到。该方法操作过程复杂，硅源纯化过程使用盐酸与氢氟酸配合清洗并高温碳化处理，氢氟酸的使用造成环境污染，烧结过程造成成本升高。

中国专利CN107732200A公开了一种利用光伏产业废料制备锂离子电池负极材料的方法，将光伏废料经过焙烧、球磨并酸洗、碱洗得到硅粉，将硅粉与分散剂混合，在离子液体引发剂的作用下，通过硅表面羟基与外层导电聚合物见产生氢键作用而紧密联系在一起，形成外部具有缓冲层与导电层改性的复合材料。但是所用的硅粉粒度较大，粒度为300~500nm，同时制备的硅碳材料结构较松散。较大的纳米硅尺寸在充放电过程中不利于结构的稳定，同时松散硅碳结构也会造成循环性能较差。

发明内容

本发明提出了一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法，所述硅碳材料具有三维多孔结构，内部既有使用氧化石墨烯和有机物碳源通过耦合与氢键作用诱导形成的交联多孔网络，还有光伏硅泥中金属/盐类杂质通过酸洗过程产生的微孔结构，多孔结构为锂的快速传输提供通道，同时为硅的膨胀提供缓冲。材料外部通过高温动态包覆工艺形成均匀保护碳层，促进表面稳定SEI膜的形成，提升材料循环稳定性。该制备方法制备的硅碳负极材料具有高首效与循环稳定性，多孔与导电网络结构保证材料的大电流充放电能力，适用于动力电池，具有广阔的市场应用前景。

实现本发明的技术方案是：

一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料，所述材料具有三维网络结构，包括二维片层/类球形颗粒纳米硅（D50：200nm）和有机碳源；所述三维网络结构由三个过程形成：有机碳源通过静电/氢键形成多孔交联结构，喷雾干燥过程在内部由纳米硅、石墨和石墨烯形成的交联复合结构，最后经过多次酸洗去除杂质形成多孔结构。