[发明专利]一种硅负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种硅负极材料及其制备方法和应用，本发明通过对储量大的硅锰合金进行酸处理得到层状高纯度硅材料，可利用其金属的延展性、机械性和导电性等来弥补硅的缺点。使用强酸对硅锰合金处理，与传统的化学气相沉积、模板诱导合成方法相比，处理过程简单、无污染。且与其他合金相比，硅锰合金成本低、储量大、经酸处理后的硅材料更纯，刻蚀后形成的层状材料更加明显。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种硅负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

硅材料储量丰富，来源广泛，是一种理想的锂电池负极材料。然而，由于硅材料充放电过程中的体积膨胀显著(～300％)，导致其电化学性能迅速衰减，难以实现商业化应用。研究者们主要通过纳米化结构设计或与其他材料复合等方法来改善其电化学性能，降低硅颗粒的尺寸并设计特殊结构可显著降低硅的绝对体积变化程度，但此种硅材料制备方法复杂、产率低、技术成本昂贵、污染环境等问题限制了其推广应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种硅负极材料及其制备方法和应用，本发明利用硅与锰合金化形成稳定的硅锰合金，利用金属良好的延展性、机械性和导电性等来弥补硅的缺点。通过采用化学脱合金法对硅锰合金进行化学处理，得到高纯度的硅材料。

为了实现以上技术效果，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本发明公开一种硅负极材料的制备方法，其具体为一种安全无污染的化学脱合金法对硅锰合金进行化学处理，即可得到高纯度的硅材料。以硅锰合金作为前驱体，采用酸对前驱体进行刻蚀处理。

进一步地，所述硅锰合金通过商业化购买，所述比例为Mn₆₅Si₁₇、Mn₆₀Si₁₄或两者的复合物，简称为硅锰6517和硅锰6014。

本发明通过使用强酸对硅锰合金前驱体进行处理，利用硅锰合金本身结构特点，通过脱除其中的Mn元素后形成层状结构，进而形成高纯度硅材料。层状结构可增大与电解液的接触界面、提高电荷传输速率，从而提高其电化学性能。

进一步地，所述的酸为强酸。可选地，所述酸包括盐酸、硫酸、硝酸、高氯酸、硒酸、氢溴酸、氢碘酸、氯酸等任意一种或两种以上混合物。

进一步地，所述使用酸处理前驱体硅锰合金的过程中，浓度根据其酸的种类决定，反应温度为0-40℃，反应时间为72h以上，优选的，72-120h。

可选地，酸浓度为6-12mol/L，如6mol/L、7.5mol/L、9mol/L、12mol/L。

进一步地，对酸处理后的前驱体产物进行离心，目的是处理剩余的酸。离心时间为5min，转速为1500rpm。需要说明的是，此离心时间和转速可根据酸的种类进行灵活调整。

进一步地，对离心后的溶液进行真空抽滤并真空烘干，烘干温度是80-120℃，时间为24h-48h。

本发明第二方面，提供上述制备方法制备得到的硅材料。

本发明第三方面，提供上述硅材料在在半导体、储能领域中应用；优选为在半导体器件、锂离子电池、超级电容器中的应用。

上述硅材料可在储能领域中进行应用；如锂电池等。(1)此负极材料具有层状结构，增大了与电解液的接触界面、提高电荷传输速率，从而提高其电化学性能。(2)因为本身其硅锰合金是有固定形状，在循环过程中可一定性的抑制硅材料的体积膨胀，提高硅负极材料的循环稳定性。

本发明的有益效果：