[发明专利]一种利用粉煤灰固体废弃物制备锂离子电池硅负极材料的方法及其材料

说明书

技术领域

本发明属于粉煤灰固体废弃物回收利用领域，具体涉及一种利用粉煤灰固体废弃物制备锂离子电池硅负极材料的方法及其材料。

背景技术

随着社会的飞速发展，环境污染和能源危机的挑战日益严峻，绿色能源成为世界各国的研究热点。锂离子电池作为一种新型清洁的可充电电源，具有质量轻、体积小、能量密度大、使用寿命长以及环境污染小等优点，在国防、电动车和电子领域展示了广阔的应用前景。目前，商品化的二次锂离子电池主要以石墨类碳作为负极材料，其优点是循环性能和倍率性能较好。然而，传统石墨负极的理论比容量仅为372mAh g^-1，而且其嵌锂电位平台接近金属锂，快速充电或低温充电易发生“析锂”现象引发安全隐患。在便携式电子设备和混合电动汽车迅猛发展的当下，石墨类负极材料已经难以满足锂离子二次电池发展的迫切需要。硅材料作为一种有望替代商业化石墨的最具潜力的锂离子电池负极材料，具有高的理论容量(4200mAh g^-1)和适宜的电压平台，在新一代二次锂离子电池负极材料领域的应用备受瞩目。

粉煤灰是火力发电厂燃煤粉锅炉排出的一种工业废渣，是目前世界上排放量最大的工业废物之一。目前我国对粉煤灰的利用，基本停留在初级利用阶段，即作为水泥的掺混料、混凝土的搅拌料、筑路填路等。研究解决粉煤灰的综合利用，变废为宝，使其变为高附加值产品，成为摆在我们面前的一项意义重大的任务。

目前关于粉煤灰处理用作锂离子电池硅负极材料的文章及专利还鲜有报道，现阶段仍主要集中在粉煤灰的精细利用方面，主要针对粉煤灰中的Al₂O₃和SiO₂，制备高纯聚合铝、白炭黑、沸石分子筛等产品。而粉煤灰处理用作锂离子电池负极材料的文章和相关专利主要是用作碳负极材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用粉煤灰固体废弃物制备锂离子电池硅负极材料的方法及其材料。

为实现上述发明目的，本发明具体提供了如下的技术方案：

1、一种利用粉煤灰固体废弃物制备锂离子电池硅负极材料的方法，包括如下步骤：

1)以粉煤灰为原材料进行碱熔融处理；

2)将经步骤1)处理后的材料进行金属热还原处理；

3)将经步骤2)处理后的材料在粘结剂中分散均匀；

4)将经步骤3)处理后的材料涂布在铜箔上，进一步真空干燥得锂离子电池硅负极材料。

进一步，步骤3)中包括加入导电炭黑。

进一步，步骤1)所述碱熔融处理包括如下步骤：将粉煤灰原料与碱按质量比1：1混合后在箱式电阻炉中焙烧，所述碱为Na₂CO₃、NaOH或KOH

进一步，步骤1)碱熔融处理的温度为600℃～1200℃，时间为4～12h。

进一步，步骤2)所述金属热还原处理包括如下步骤：将步骤1)中碱熔融处理后的材料与金属按照质量比1：1混合后置于管式炉中；在H₂和Ar混合气保护下，温度为600℃～1200℃，焙烧5～12h后，将焙烧后的材料冷却后经2～5M的盐酸浸渍处理6～18h，再用去离子水洗至中性。

进一步，所述金属为镁、铝、钠、钾或锂的一种或几种。

进一步，步骤3)所述粘结剂为海藻酸钠的水溶液

进一步，所述粘结剂的质量分数为20％～50％。

进一步，步骤3)中经步骤2)处理后的材料添加质量百分含量为60～90％。

2、根据任一项所述方法制得的锂离子电池负极材料。

本发明的有益效果在于：本发明充分利用了燃煤电厂产生的固体废弃物粉煤灰，研究解决固体废弃物粉煤灰的合理利用，变废为宝，使其由传统的低附加值应用变为高附加值的锂离子电池硅负极材料，通过对粉煤灰进行改性和加工，开发出高性能以及高性价比的锂离子电池硅负极材料，其与传统的二次锂离子电池负极材料石墨相比明显表现出了更优异的倍率性能。这样不但可以大幅度提升粉煤灰的商业价值，同时减少粉煤灰固体废弃物对环境的污染，具有较大的社会效益和经济效益。另外该工艺方法简单，高效节能并且易于工业化生产且整个工艺过程不需要使用价格昂贵的硅前驱物或者化学试剂。

附图说明

图1为原始粉煤灰的XRD图谱；

图2是粉煤灰经碱熔融和金属热还原处理的XRD谱图；

图3是粉煤灰制备的锂离子电池硅负极材料在1C下循环性能曲线；