一种多孔单质硅的制备方法
【技术领域】
:
[0001]本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种多孔单质硅的制备方法。
【背景技术】
:
[0002]目前，随着可移动电子设备对高容量、长寿命电池需求的日益增长，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求。锂离子电池容量偏低已成为制约电池工业发展的一个瓶颈，寻找更高比容量的负极材料已成为电池材料领域的一个重要发展方向。目前商业化负极材料是碳，自锂离子电池商业化以来，碳材料的研究获得了长足的进步，已经接近372mAh/g的理论值，很难再有提升的空间。因而寻找替代碳的负极材料成为一个重要的发展方向。在众多可选择的负极材料中，硅因其具有较高的比容量(理论值:4200mAh/g)及较低的脱嵌锂电压而备受瞩目。
[0003]但是因为单质硅会在充放电过程中体积变化高于300%，并产生粉化料现象，导致容量迅速降低，电池内阻突然增大，从而限制了其在锂离子电池领域的应用。多孔单质硅内部具有孔道结构，相对于同粒径的实心单质硅来说，据有较高的比表面积，密度较低。内部的空间可以用于减轻单质硅在充放电过程中体积膨胀。
[0004]生产多孔单质硅对于锂电池负极材料具有非常重要的意义，传统制备多孔单质硅的方法有阳极腐蚀法、染色腐蚀、火花放电法、水热腐蚀法、脉冲腐蚀法等。这些方法制备的多孔单质硅表面腐蚀的孔径较小，几个纳米到十几纳米之间，而且腐蚀孔的纵向深度较低，满足不了锂电负极材料的要求。利用镁热反应将芦苇，稻草，硅球藻等中的二氧化硅还原成多孔单质硅，在电化学循环性能上面取得了不错的效果，但是芦苇、稻草等这些废弃物所含杂质较多，尤其是无机盐、无定形碳等，量产时难以除去。气凝胶等制备的纳米单质硅，虽然具有多孔结构，但壁厚有限，在实际应用中容易坍塌。
【发明内容】
:
[0005]本发明所要解决的技术问题在于提供一种还原充分、工艺过程简单且具有弯曲孔道结构的多孔单质硅的制备方法。
[0006]本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现:
[0007]—种多孔单质硅的制备方法，以软硅为原料，镁粉为还原剂，在惰性环境中还原得到多孔单质硅；
[0008]所述软硅粒径为l-10um，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构。
[0009]所述多孔单质娃粒径为1-1Oum，壁厚为50-150nm。
[0010]一种多孔单质硅的制备方法，具体步骤为:先将软硅和镁粉混合均匀，再将混合物加入带盖铁坩祸内，然后将坩祸置于氩气保护的气氛炉中，于600-700°C、分阶段保温2-7h，最后经盐酸侵蚀即得多孔单质硅。
[0011]本发明工作原理:
[0012]以粒径在l-10um，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构的软硅为原料，采用分温区保温镁热还原法，将多孔硅和镁粉混合均匀，置于气氛炉中煅烧，调节煅烧温度，分段加热，使微球中的单质硅充分还原。该工艺过程简单、易于操作控制，所制备的单质硅具有弯曲的孔道结构。
[0013]本发明的有益效果是:本发明以粒径在l-10um，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构的软硅为原料，其外形为椭球形，相对于使用实心二氧化硅球来说，软硅与镁反应时，镁可以很容易进入到多孔二氧化硅的内部，并且采用分温区加热，使反应更加均匀，相对于气凝胶来说，多孔硅结构保存的更加完好和稳定，多孔硅的壁厚能保持在10nm以上。
【附图说明】
:
[0014]图1为原料软硅的SEM形貌图；
[0015]图2为以30.48g软硅和25.46g镁粉为原料，在600°C下保温lh，620°C保温2h，650°C保温2h后的样品，经过酸洗制备得到的多孔硅SEM形貌图；
[0016]图3为以61.04g软硅和52.39g为原料，在650°C下保温4h后的样品，经过酸洗制备得到的多孔硅SEM形貌图；
[0017]图4为以167.82g软硅和142.56g镁粉为原料，在600°C下保温Ih，620°C保温2h，650°C保温3h后的样品，经过酸洗制备得到的多孔硅SEM形貌图；
[0018]图5为以110.39g软硅和93.77g镁粉为原料，650°C保温6h后的样品，经过酸洗制备得到的多孔硅SEM形貌图。
【具体实施方式】
:
[0019]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
[0020]实施例1
[0021 ] 以30.48g软硅和25.46g镁粉为原料，在600°C下保温Ih，620°C保温2h，650°C保温2h后的样品，经过酸洗制备得到多孔硅。由图2可见，还原后的多孔硅很好地保持了原料的多孔结构，并且与原料相比，孔有扩大的趋势。
[0022]实施例2
[0023]以61.04g软硅和52.39g为原料，在650°C下保温4h后的样品，经过酸洗制备得到多孔硅，由图3可见，一步还原后的多孔硅结构部分坍塌。
[0024]实施例3
[0025]以167.82g软硅和142.56g镁粉为原料，在600°C下保温Ih，620°C保温2h，650°C保温3h后的样品，经过酸洗制备得到多孔硅。从附图4中看出，所得多孔硅的孔径约为100-200nm，孔隙率很高，单质硅的壁厚小于lOOnm，而且孔道是曲线。
[0026]由以上实施案例可知，本发明以软硅为硅源，利用镁热反应制备骨架状多孔单质硅;多孔硅的粒径在3微米左右，所得产物基本保持了原料的孔道结构，壁厚在10nm左右，经过除杂处理，可以得到多孔单质硅产物。通过调节温度制程与原料比例可以得到结构规则的多孔单质硅材料。
[0027]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种多孔单质硅的制备方法，其特征在于:以软硅为原料，镁粉为还原剂，在惰性环境中还原得到多孔单质硅； 所述软硅粒径为1-lOum，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构。2.一种多孔单质硅的制备方法，其特征在于，具体步骤为:先将软硅和镁粉混合均匀，再将混合物加入带盖铁坩祸内，然后将坩祸置于氩气保护的气氛炉中，于600-700°C、分阶段保温2-7h，最后经盐酸侵蚀即得多孔单质硅； 所述软硅粒径为1-lOum，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构。3.根据权利要求1或2所述的多孔单质硅的制备方法，其特征在于:所述多孔单质硅粒径为 l-10um，壁厚为 50-150nm。
【专利摘要】本发明公开了一种多孔单质硅的制备方法，涉及电池材料技术领域，以软硅为原料，镁粉为还原剂，在惰性环境中还原得到多孔单质硅。所述软硅粒径为1-10um，比表面积为180-230m2/g且具有多孔中空结构。本发明以软硅为原料，其外形为椭球形，相对于使用实心二氧化硅球来说，软硅与镁反应时，镁可以很容易进入到多孔二氧化硅的内部，并且采用分温区加热，使反应更加均匀，相对于气凝胶来说，多孔硅结构保存的更加完好和稳定，多孔硅的壁厚能保持在100nm以上。
【IPC分类】H01M4/38, C01B33/023, H01M4/1395
【公开号】CN105529451
【申请号】CN201510953072
【发明人】蒋学鑫, 王亚娟, 李望, 郭敬新
【申请人】安徽壹石通材料科技股份有限公司
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年3月7日