[发明专利]一种梯度纳米多孔硅金属的复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度纳米多孔硅金属的复合材料及其制备方法，将硅合金粉末加入至浓度为0.1～2mol/L的酸溶液中进行反应后即可获得，其中，所述硅合金为硅铁、硅镁、硅锂、铝锌硅、铝镁硅中的一种或两种以上的混合物，所述酸为盐酸、硫酸、醋酸、草酸，柠檬酸、磷酸、亚硫酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、苯甲酸、乙酸、丙酸、硬脂酸、碳酸、氢硫酸、次氯酸、硼酸、硅酸中的一种或两种以上的混合物，能够制备获得多孔硅金属复合材料，增加材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于新能源领域，具体来说，涉及一种梯度纳米多孔硅金属的复合材料及其制备方法。

背景技术

锂电池由于其高的比能量、自放电小、绿色环保、循环寿命长等优点，已经作为电动汽车和电池产品最有前景的电源体系。目前锂电池常用的负极主要是石墨类材料，其理论容量只有372mAh/g，其低的理论比容量限制了锂电池的性能的整体提高，所以开发新型的比能量高的负极材料尤为重要。

金属硅和锂可以形成硅锂合金(Li_4.4Si)，其理论比容量为4212mAh/g，并且硅的储量丰富，来源广泛，是一种理想的锂电池负极材料。但是硅作为负极材料也有一些缺点：(1)价格昂贵，制备困难。通常纳米的硅通常是由高能球磨法或CVD法制得的，所用设备昂贵，产率低，成本高。(2)金属硅在储锂过程中体积膨胀，从而造成极片粉化脱落，导致电池性能衰减。(3)硅是一种半导体材料，导电性能较差，限制了其倍率性能。

解决体积膨胀主要采用纳米化或多孔化或引入缓冲体积膨胀的成分，导电性差主要通过加入导电剂，如碳或金属。现有的制备纳米硅及其与金属的复合材料需要两步以上的步骤，如阳极氧化法、热还原法、模板法、化学气相沉积法等，工艺复杂，成本高，并且会产生多余的废料，降低其产率，并且难以复合均匀，导致其性能难以大幅度的提高。这些方法往往不适合规模化生产，这阻碍了硅负极材料的实用化进程。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种梯度纳米多孔硅金属的复合材料的制备方法，能够制备获得多孔硅金属复合材料，增加材料的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种梯度纳米多孔硅金属的复合材料的制备方法，将硅合金粉末加入至浓度为0.1～2mol/L的酸溶液中进行反应后即可获得，其中，所述硅合金为硅铁、硅镁、硅锂、铝锌硅、铝镁硅中的一种或两种以上的混合物，所述酸为盐酸、硫酸、醋酸、草酸，柠檬酸、磷酸、亚硫酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、苯甲酸、乙酸、丙酸、硬脂酸、碳酸、氢硫酸、次氯酸、硼酸、硅酸中的一种或两种以上的混合物，硅合金粉末中非硅物质的物质的量与酸中氢离子的摩尔比为1:4～20。

本发明采用脱合金的方法来制备多孔硅，利用酸溶液将硅合金中的一种组分进行腐蚀，从而制备获得孔硅结构。同时，本发明限定的酸溶液为低浓度，硅合金在被酸腐蚀过程中，由于酸溶液中的氢离子只能与接触的硅合金进行反应，当酸溶液将硅合金腐蚀成多孔结构后，在硅合金内部，由于氢离子浓度进一步降低，同时反应后的金属离子难以短时间扩散至硅合金外部的溶液中，从而阻碍了酸溶液对硅金属的进一步腐蚀，进而在获得多孔硅的基础上对使得金属在硅中进行重新分布，以提高材料的电化学性能。

优选的，反应的温度为0～100℃。

优选的，反应的时间为1～24h。

优选的，反应后依次进行过滤、洗涤、干燥。

进一步优选的，所述干燥为真空干燥。

更进一步优选的，所述真空干燥的温度为70～150℃。

本发明的目的之二是提供一种上述制备方法获得的梯度纳米多孔硅金属的复合材料。

本发明的目的之三是提供一种上述复合材料在锂电池、电动车或电动汽车中的应用。