[发明专利]一种纳米硅的分散方法

说明书

本发明公开了一种纳米硅的分散方法，包括以下步骤：(1)将粗硅粉经气流粉碎至平均粒径为3‑5μm的微硅粉；(2)将微硅粉溶解于极性溶剂并搅拌配成固含量10％‑15％的硅溶液；(3)将硅溶液采取湿法球磨工艺进行球磨，并在球磨过程中加入十六烷基三甲基溴化铵离子分散剂，球磨后即得纳米硅粉体。本发明通过在球磨过程中精确地加入十六烷基三甲基溴化铵离子分散剂，有效改善了浆料流动性，增强了浆料稳定性，并提高了球磨的效能，使得制备的纳米硅粉成片性能好，颗粒粒径均匀，具有较好的分散结构；极大地提高了制备的硅粉的电化学性能，从而能有效改善硅电极材料的电化学性能，提高电池的比容量和库伦效应，改善电池的循环性能。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种纳米硅的分散方法。

背景技术

在目前研究的锂离子电池负极材料体系中，金属合金材料如Si、Sn、Al等可以与Li形成多锂合金而具有比传统石墨负极材料高得多的理论比容量，同时，该类金属合金类材料的脱嵌锂电位较传统石墨负极材料高，在快速充放电过程中不易产生锂枝晶，安全性能优异。其中，单质硅因其具有最高的理论比容量4200mAh/g，嵌锂电位为0.2V(vs.Li/Li+)，安全性能好，储量丰富，性价比较高，近年来得到了学术界和工业界的广泛关注和研究，被认为是下一代理想负极材料的首选。然而硅负极材料在实际应用中也有一定的缺陷，导致商业化进程较缓，这是由于硅是一种合金负极，每个硅原子可以承载约四个锂原子，这种锂化机制由于大量锂原子的嵌入而导致巨大的体积变化，从Si转换到Li4.4Si时，体积膨胀约为420％，锂嵌入/脱出过程中的这种大的体积膨胀/收缩导致大的应力会导致Si的破裂和粉碎，硅电极上活性物质的粉化剥落，致使硅颗粒之间以及颗粒与集流体之间失去电接触，从而导致电池容量急剧衰减甚至完全失效。

为了解决材料粉化的难题，研究者提出将硅纳米化制备粒度分布集中、稳定、粒径可调控的纳米硅基材料，可缓解硅的体积膨胀效应，缩短锂离子扩散距离，并提供了良好的电接触和电传导，缩短锂离子的传输途径，改善硅基材料的电化学循环性能，提高电池的循环寿命。

从而采用湿法球磨的方式制备纳米硅基材，随着球磨的不断深化硅粉颗粒粒径不断减小，硅粉颗粒细化到一定程度时，其比表面积和比表面能逐渐增加，其强度和硬度也随之增加，颗粒缺陷减少，球磨难度也加大，颗粒团聚作用也增强，当这些团聚体在粉体的后期加工使用过程中，由于内聚力较大，分子之间难以打开，也不易均匀地分散在有机溶剂体系和后期电池极片的加工基体中，使得材料的性能难以发挥预期效果。因此，在球磨过程中加入分散剂，能有效降低颗粒间的相互作用，减小微细颗粒粘附在研磨介质上的程度，促进研磨物料的流动，降低球磨的能耗，提高产品质量和生产效率。

分散剂种类繁多，包括阳离子、阴离子型、非离子和混合型等三大类。分散剂在悬浮液中通过与颗粒表面发生作用而阻止互相团聚，其作用机理大致分为三种：静电斥力作用、空间位阻作用和静电位阻稳定作用。

离子型分散剂在水分散介质中，电解为带电离子或亲水和亲油性基团，吸附于固体粒子表面，形成一个带电荷的保护屏障层，即扩散双电层，静电斥力增大，颗粒难以发生碰撞团聚，从而起到静电稳定分散作用。

非离子型高分子聚合物如超分散剂等，分子结构包括锚固基团和溶剂化链两部分，锚固基团吸附于固体颗粒表面，其溶剂化链在介质充分扩展，形成位阻层来阻止固体粒子的絮凝团聚，达到空间位阻的作用。

高分子聚合物分散剂的分子量一般应在103～104范围内，当分子链太短难以克服范德华力，太长容易搭桥联结起到稠化作用。而聚电解质在水分散介质中电解吸附在颗粒表面，带电的聚合物分子层既可以通过自身所带电荷的静电斥力作用排斥周围离子，又可以利用溶剂化链的空间位阻使颗粒相互弹开,从而发挥静电位阻稳定作用。

目前在纳米硅的球磨过程中大多都是加入的常见的分散剂，其未能针对分散溶质的表面性质对分散剂作出进一步的筛选。

因此，在全面考虑分散介质的表面性质和所处溶剂体系的前提下选择一种合适的分散剂对制备稳定的纳米硅至关重要。