[发明专利]一种硅纳米线基柔性自支撑电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅纳米线基柔性自支撑电极材料及其制备方法，属于二次资源利用的技术领域。该方法是以光伏产业晶体硅切割废硅粉为硅源，柔性碳纤维布为基底，通过高温快速电致热冲击过程在基底上原位生长硅纳米线。所述的制备方法包括以下步骤：(1)将微米级的切割废硅粉制成均匀分散的悬浊液；(2)将柔性碳布浸泡在步骤(1)的悬浊液中；(3)取出碳布在干燥设备中进行处理；(4)将负载废硅粉的碳布进行电致热冲击在柔性碳布基底上原位生长硅纳米线。将获得的生长硅纳米线的碳布作为自支撑电极材料用于锂离子电池负极时，具有高容量和优异的循环稳定性。本发明以切割废硅粉为原料、碳布为基底制备硅纳米线高负载的柔性自支撑电极材料，解决传统金属为集流体生长硅纳米线时低负载、纯度低的问题，并且发明的制备过程短程、绿色、成本低，用于制备高能量密度锂离子电池负极材料具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，公开了一种硅纳米线基柔性自支撑电极材料及其制备方法。

背景技术

电动汽车、电子及储能领域的快速发展对高能量密度锂离子电池的要求越来越高。正负极活性材料比容量是决定锂离子电池能量密度的重要因素。传统石墨负极的应用已经接近其理论容量，但仍难以满足高能量密度电池体系对负极材料的需求。硅因其高的理论比容量(3579mAh/g)、合适的嵌锂电位以及地球丰度，被认为是最具前景的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但目前硅材料的应用面临着两个主要的问题，一是嵌脱锂过程巨大的体积变化(～300％)；二是低的电导性。为克服上述两个棘手的问题，硅基复合材料被引入，尤其是硅纳米线基复合结构。因其：(1)硅纳米线能够提供快速的电子和离子传递途径；(2)小直径的硅纳米线能够适应较大的体积变化；(3)相邻硅纳米线构造的空隙空间，允许电解质快速渗透和储存；(4)硅纳米线具有高的比体积，可以提供较高的材料利用率[C.K.Chan,H.Peng,G.Liu,et al.High-performance lithium battery anodes usingsilicon nanowires.Nature Nanotechnology,2008,3(1):31]。

目前在基底上生长硅纳米线主要以不锈钢、镍箔和铜片做基底，其表面积小制备的硅纳米线负载低，严重制约了其在锂离子电池负极中的应用。此外，自支撑硅纳米线电极的制备方法主要有化学气相沉积、溶液法和电化学沉积[G.Zhou,L.Xu,G.W.Hu,L.Q.Mai,Y.Cui.Nanowires for Electrochemical Energy Storage.Chem.Rev.2019,119,11042-11109]。例如：Cui等人以不锈钢做基底采用化学气相沉积的方法制备硅纳米线，其面负载量仅0.3mg/cm²[L.B.Hu,Y.Cui,et al.Si nanoparticle-decorated Si nanowirenetworks for Li-ion battery anodes.Chem.Commun.,2011,47,367-369]，Chan等人以铜为基底、苯基硅烷为硅源使用锡作为催化剂湿化学合成硅纳米线，其面负载量有约1.26mg/cm²[I.S.Aminu,H.Geaney,S.Imtiaz,et al.A Copper Silicide Nanofoam CurrentCollector for Directly Grown Si Nanowire Networks and their Application asLithium-Ion Anodes.Adv.Funct.Mater.2020,30,2003278]，Zhang等人在CaCl₂熔盐中，使用含镍的二氧化硅电解数小时制备获得硅纳米线，耗时长、过程难控制、且制备的硅纳米线不纯[J.Zhang,S.Fang,et al.Preparation of high-purity straight siliconnanowires by molten salt electrolysis.Journal of Energy Chemistry 2020,40,171-179]。以上这些硅纳米线的制备方法，通常复杂、使用金属催化剂，制备过程伴有毒性、成本高，且大制备的硅纳米线负载量通常小于1.5mg/cm²。