[发明专利]一种微米多孔Si结构、锂离子电池Si@C电极的制备方法

说明书

本发明提出一种微米多孔Si结构、锂离子电池Si@C电极的制备方法。该制备方法包括：首先，腐蚀废弃Al‑Si铸造合金中的Al元素以回收微米Si；然后，通过HF和HNO₃的混合溶液进一步腐蚀以获得微米多孔Si结构；最后，经炭化工艺制备微米多孔Si@C结构，并将其通过涂覆法制备锂离子电池电极。本发明的方法中，微米多孔Si结构中的纳米孔/纳米骨架可以有效缓解Si的体积膨胀效应，从而使锂离子电池同时获得高面积/体积比容量和良好的循环稳定性。此外，通过炭化工艺在微米多孔Si表面包覆非晶C层，进一步提高锂离子电池的高倍率性能和循环稳定性能。该方法实现了经济、高效率、大规模制备性能良好的锂离子电池Si电极。

技术领域

本发明涉及化学腐蚀、锂离子电池领域。具体来说，是一种采用经济、高效、高产量的两步低温化学腐蚀方法制造高性能锂离子电池负极活性物质的方法。

背景技术

开发绿色、可再生能源材料是未来能源领域发展的主要方向之一。对于普遍使用的锂离子电池，使用Si替代传统石墨负极是一项重要的举措，这是由于其可提高电池比容量达10倍以上。此外，为了使Si电极获得良好的循环稳定性，现有的众多研究使用纳米尺度Si结构以缓解其严重的体积膨胀效应，并取得显著的成果。然而，Si电极仍难以实现工业化应用。造成这种阻碍的主要原因之一为纳米Si的低堆积密度，其导致电极的面积/体积比容量远低于实际需求。

目前，微米Si结构逐渐引起广泛的关注。微米结构的高堆积密度特征，使电极在单位面积/体积内的Si负载量增加，从而提高锂离子电池的面积/体积比容量。与此同时，对微米Si进行结构和成分改性：制备多孔结构、包覆结构、与非活性组元复合等，可以缓解微米Si严重的体积膨胀效应。例如，An等人制备一种蜂巢状Si@C结构，并将其应用于锂离子电池。该电极在1C下循环100圈后，剩余的体积比容量可高达1712mAh cm^-3[W.L.An,B.A.Gao,S.X.Mei,B.Xiang,J.J.Fu,L.Wang,Q.B.Zhang,P.K.Chu,K.F.Huo,Nat.Commun.2019,10,1447.]。此外，Wang等人通过组装纳米颗粒获得微米Si结构，以其制备的负极在全电池中循环100圈后面积比容量可剩余2.1mAh cm^-2[J.Y.Wang,L.Liao,Y.Z.Li,J.Zhao,F.F.Shi,K.Yan,A.L.Pei,G.X.Chen,G.D.Li,Z.Y.Lu,Y.Cui,Nano Lett.2018,18,7060.]。由此可知，改性的微米结构可同时获得高面积/体积比容量和良好的循环稳定性能。

然而，现有的微米Si电极制备工艺仍旧存在高能耗、高成本、低效率等亟待解决的问题。一方面，微米结构以微纳米粉末为原材料，粉末制备过程(气化法制粉)通常需要高温、高真空等能耗严重的工作环境。另一方面，微米结构的改性过程同样存在以下不足：例如特殊的设备条件、长时效和低产量的制备工序以及昂贵的辅助材料等。

由以上内容可知，在电化学性能方面，微米结构可以进一步推动锂离子电池Si电极的实际应用。然而，在制备工艺方面，实现高效率、高产量、低成本的实际应用需求，仍是一项严峻的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备微米多孔Si结构、锂离子电池Si@C电极的方法，该方法具有高效率、高产量、经济等特点。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制备微米多孔Si结构、锂离子电池Si@C电极的方法，包括以下步骤：

步骤1，使用腐蚀液腐蚀Al-Si铸造合金中的Al元素以回收微米Si；

步骤2，使用HF和HNO₃的混合溶液进一步腐蚀所述的微米Si，以制备微米多孔Si结构；

步骤3，通过炭化工艺在所述微米多孔Si结构表面包覆非晶C，以获得微米多孔Si@C结构；