[发明专利]一种硅材料及其制备方法、用途和使用其的装置

说明书

本发明提供了一种硅材料及其制备方法、用途和使用其的装置。所述硅材料包括由波浪状硅纳米片互相连接构成的花簇状硅微米颗粒。所述方法包括：1)将硅源和锂源在惰性气氛下熔融混合，得到熔融产物；2)对熔融产物在低压和非氧化气氛下热处理，得到所述硅材料。所述硅材料中，波浪状二维硅纳米片具有应力自释放特性，其不仅提高了硅在体积变化过程中结构和界面的自稳定性，还大大缩短了锂离子的扩散路径；花簇状微米构造不仅便利了电子的高效传输和锂离子的低曲折度输运，还提高了材料振实密度。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种硅材料及其制备方法、用途和使用其的装置。

背景技术

为了满足便携式电子设备和电动汽车不断增长的能源需求，人们一直在追求更高的锂离子可充电电池能量密度。然而，作为最常用的阳极材料，石墨材料的理论容量较低，不能满足这些要求。从锂离子电池的发展历史来看，每一次能量密度的突破都是由新电极材料的开发带来的。因此，迫切需要能够提供更高能量密度、更长循环寿命和具有安全放电/充电电位的新负极材料。

在所有可能的负极材料候选中，硅因其自然资源丰富、低成本和大的可逆容量(4200mAh/g)而脱颖而出，它是通过在理想的的工作电位下与锂进行合金化的-脱合金反应来实现的。然而，硅材料在充放电过程中会发生巨大的体积变化(300％以上)，产生的机械应力导致活性材料的粉化和结构崩塌及材料与集流体间的脱离，从而造成容量迅速衰减和电池循环性能降低。此外，由于这种体积膨胀效应，硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面SEI膜，导致充放电效率降低，加速循环性能的进一步恶化。

目前，为了解决上面提及的问题，将硅材料纳米结构化、多孔化、和/或进而与碳纳米材料复合构筑硅碳纳米复合材料可在一定程度上解决硅在充放电过程中由于体积膨胀效应引起的结构及表界面不稳定性问题，从而改善其充放电、循环性能。

然而，值得注意的是，一方面，硅材料的纳米结构化(如零维硅纳米粒子、一维硅纳米线或纳米管、三维多孔硅)提高循环稳定性往往是以牺牲材料重量比容量为代价的，另一方面，这类结构化方法通常导致活性材料振实密度大大减小，严重制约其体积比容量和能量密度的提升，阻碍其在电池和/或相关储能系统中的实际应用。目前的微纳结构化可在一定程度上提高硅或硅碳复合材料的振实密度，但其还是主要基于零维、一维、和/或三维多孔硅制备，无法实现循环稳定性和重量比容量的协同提高。此外，微纳结构化主要依靠昂贵的商业化硅纳米粒子，或高危险性的甲硅烷等气态硅源，或不利于环境的氢氟酸等刻蚀过程，或苛刻(如超高真空、超高温等)、耗能且复杂的合成工艺。因此，材料和方法本身都严重制约现有微纳结构化硅和碳硅复合材料的性能发挥和实际应用。

CN105789577A公开了一种锂离子电池用硅负极材料的制备方法及该硅负极材料，具体包括以下步骤：步骤1，表面羟基化：将氧化亚硅放入氨水、双氧水和水组成的混合溶液中加热煮沸并搅拌10～60min，然后水洗、过滤、80～120℃真空干燥2～12h；步骤2，搅拌：将步骤1中的干燥产物放入含钛源的无水乙醇溶液中，搅拌2～10h；再加入水搅拌15～75min，接着加入石墨，然后再加入含锂源的无水乙醇溶液，最后加入冰醋酸搅拌，当黑色溶胶变成凝胶时停止搅拌；步骤3，陈化和干燥：将步骤2生成的凝胶陈化12h或12h以上，然后70～90℃真空干燥8～16h；步骤4，煅烧：将步骤3陈化和干燥后的凝胶破碎并在惰性气氛保护下煅烧；最后，冷却到室温得到硅负极材料。但是该方法得到的产品在充放电比容量和循环稳定性上仍有待进一步提升。

因此，寻找一种兼具有优异电子、锂离子传输特性和结构/界面稳定性，且制备工艺简单、低能耗、可规模化、成本低廉的硅材料是目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述步骤，本发明的目的在于提供一种硅材料及其制备方法、用途和使用其的装置。本发明提供的硅材料为花簇结构硅材料，非常适合作为锂离子电池负极活性材料，制得的电池具有极其优异的充放电比容量和循环稳定性。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：