[发明专利]一种镁热还原制备硅碳负极材料的方法

说明书

本发明公开一种镁热还原制备硅碳负极材料的方法，所述方法为：将微硅粉进行焙烧，然后分散于酸蚀液中，水浴加热后抽滤、水洗、干燥得预处理样品；将预处理样品与镁粉通过球磨混合，经自然干燥后置于密封石墨坩埚中，转移到惰性气体的管式炉中，进行镁热反应，所得产物经酸洗、真空抽滤、水洗、干燥后得多孔晶硅；将制得的多孔晶硅与有机物前驱体混合均匀后干燥，再置于保护性气体中，进行固化处理，得硅基复合材料。本发明通过对微硅粉的酸蚀预处理、镁热还原处理获得了多孔晶硅；该种硅材料不仅具有较高的比容量，而且形成的多孔结构一方面起到了缓冲本身体积膨胀的作用；另一方面也缩短了锂离子脱嵌的深度和扩散距离，使其表现出了优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种镁热还原制备硅碳负极材料的方法，属于硅材料技术领域。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、重量轻、自放电小等优点，在各种便携式电子设备、电动汽车等方面都有着广泛的应用。而负极材料作为锂离子电池的主要储锂主体,一直以来都是以碳材料为主。碳负极存在比容量低、首次充放电效率低等缺点。因此，寻找一种高比容量、价格低廉、取材丰富的锂离子电池负极材料成为了人们关注的焦点。硅材料以其高达4200mAh/g的理论容量及丰富的取材，成为了最具希望的下一代锂离子电池负极材料。但是硅负极在完全嵌锂状态下会发生严重的体积膨胀(300％)，这造成了材料颗粒的粉化和脱落，同时也导致了表面SEI膜的重复生长，消耗电解液和锂源，严重影响其电化学性能。

为解决这一问题人们提出了很多方法，如制备多相复合材料，例如硅纳米颗粒、硅纳米线、纳米管、空心球等方法来缓解它的体积效应，同时通过碳包覆处理提高硅负极材料的电导率；虽然这些方法制备的锂离子电池负极材料表现出了较好的性能，但是其制备成本较高制备工艺复杂。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种镁热还原制备硅碳负极材料的方法，通过利用微硅粉亚米初级粒子结构的特点，经镁热还原反应制备得到多孔晶硅，再经碳包覆的表面修饰处理，使其表现出了优异的电化学性能；此过程不仅制备成本低廉而且工艺简洁易行，通过以下技术方案实现发明目的：

一种镁热还原制备硅碳负极材料的方法，具体包括以下步骤：

(1)微硅粉的预处理：将微硅粉进行焙烧，然后分散于酸蚀液中，水浴加热至60-90℃，动力搅拌1-6小时后抽滤、水洗、干燥得预处理样品。

(2)球磨混料及镁热还原酸蚀：将预处理微硅粉与镁粉通过球磨混合，经自然干燥后置于密封石墨坩埚中，转移到惰性气体的管式炉中，进行镁热反应，所得产物经酸洗、真空抽滤、水洗、干燥后得多孔晶硅。

(3)表面碳层的包覆：将制得的多孔晶硅与有机物前驱体混合均匀后干燥，再置于惰性性气体中，在800-1100℃的条件下进行固化处理，得硅基复合材料。

优选的，本发明步骤(1)中酸蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、草酸、醋酸中的一种或几种的混合，酸蚀液的浓度为3.26mol/L。

优选的，本发明步骤(1)中焙烧条件为于500-1100℃下焙烧4-10小时。

优选的，本发明预处理微硅粉与镁粉的质量比1:(0.8-1.2)。

优选的，本发明步骤(2)中所述的球磨参数为：转速100-300转/分，球料比质量为1:(1-10)，球磨时间4-12小时。

优选的，本发明步骤(2)中所述镁热反应的温度为600-800℃，时间为1-10小时。

优选的，本发明步骤(2)中所述的惰性气体为空气、氩气、氮气中的一种或多种的混合。

优选的，本发明步骤(2)中酸洗所用酸为盐酸，盐酸的浓度为0.5-5mol/L。