一种硅纳米线及其制备方法与应用与流程

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种硅纳米线及其制备方法与应用。

背景技术：

1、纳米级的材料存在一系列物理效应，如量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库伦阻塞效应、小尺寸效应及体积效应等，硅纳米线具备纳米材料的全部物理效应，是半导体纳米材料的首要代表，在半导体领域具有其特殊性质，还有异于体硅材料的物理属性，例如场发射、可见光致发光及热导率等，在传感器、场效应晶体管、光催化和电池等方面都具有很好的应用市场。

2、与传统的石墨负极材料相比，硅具有极高的质量比容量4200mah/g，与金属锂相比，由于硅在合金材料中的堆积密度与锂相近，因此，硅还具有很高的体积比容量。硅纳米线相比于纳米硅颗粒，在脱嵌锂过程中，横向体积效应不明显，而且不会像纳米硅颗粒一样发生粉碎失去电接触，因而循环稳定性更好。

3、目前，有关硅纳米线制备方法有诸多，主要有：化学气相沉积(cvd)、分子束外延(meb)、激光烧蚀(la)、氧化物辅助(oga)、溶液法和刻蚀法等，按照硅纳米线的生长模式，其制备方法可分为两类，即“自上而下”和“自下而上”技术。

4、“自下而上”是经过自组装形式从原子层面不断沉积生长出纳米结构的模式，主要包括化学气相沉积、分子束外延、激光烧蚀、氧化物辅助法和溶液法等。“自上而下”首先是对模板进行刻蚀预处理，把样品刻烛成想要大小尺寸的纳米结构的生长模式；可比喻为用石头雕刻，基材被逐渐腐蚀，最终达到想要形状。其方法有电子束光刻(ebl)、纳米压印光刻和金属辅助化学刻蚀技术。

5、cn110950323a公开了一种碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料，为一维纳米结构，该材料中碳化硅纳米线沿碳纳米管的长度方向生长。该材料的制备方法：将预处理基片放入管式炉中，采用化学气相沉积法在基体上沉积碳纳米管；再采用化学气相沉积法在碳纳米管上沉积碳化硅纳米线，得到碳纳米管-碳化硅纳米线复合材料。该方法充分利用碳纳米管和碳化硅纳米线在用cvd方式制备时都遵循v-l-s生长机制，从而制备出一种全新的一维纳米结构材料。

6、cn107445167a公开一种超长碳化硅纳米线的制备方法，其包括以下步骤：将氧化亚硅和有机碳按照1:2-2:1的重量比分散在无水乙醇中，蒸发无水乙醇并干燥后，将还原铁粉与氧化亚硅按1:5-20的重量比混合均匀，放在瓷舟中并置于通入氩气气氛的管式炉中，在1000-1400℃温度下烧结1-4h，最后在氢氟酸中浸泡2h，洗涤、离心并干燥，得到碳化硅纳米线。该方法利用sio作为反应物和模板，以提供碳源的系列材料为还原剂和结构支撑物，以铁作为催化剂，与铁共还原法制备碳化硅纳米线。

7、cn1590599a一种硅纳米线的制备方法，包括：(1)蒸发用硅源的制备用纯度为99.99％的硅(si)粉和纯度为99.99％的二氧化硅(sio2)粉，按重量比例为1：1进行配置搅匀，然后用压片机把si+sio2粉压成片，放在超高真空电子束系统的源坩埚中抽真空，备用；(2)硅纳米线生长衬底的准备选用100～600nm的sio2/si(111)或sio2作为硅纳米线的生长衬底，在真空中生长硅纳米线。

8、但是，现有技术存在一定的缺点，如，原料要求高，往往要求纯度达到99.99％；工序复杂，需要将硅粉和二氧化硅粉混合并压片；需要高真空及电子束等昂贵设备；生长效率低下。

9、因此，需要一种原料要求不高、成本可控、工序简单可靠、便于大规模量产的硅纳米线的生产方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅纳米线及其制备方法与应用，将硅源进行一次蒸发得到硅蒸气；将铝源进行二次蒸发得到铝蒸气；将所述硅蒸气以2-5g/min的速度通入铝蒸气中进行反应，得到硅纳米线；本发明所述硅纳米线的制备方法使用熔点较低且具有还原性的铝作为硅纳米线控制剂，成本可控；且制备方法工序简单可靠，便于大规模量产。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的目的之一在于提供一种硅纳米线的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(1)将硅源进行一次蒸发得到硅蒸气；

5、(2)将铝源进行二次蒸发得到铝蒸气；

6、(3)将所述硅蒸气以2-5g/min的速度通入铝蒸气中进行反应，得到硅纳米线。

7、值得说明的是，本发明中，熔点较低且具有还原性的铝作为硅纳米线生长的控制剂，且起到催化的作用，硅蒸气和铝蒸气相遇即开始生长硅纳米线，对于原料纯度要求不高，成本可控；且制备方法工序简单可靠，便于大规模量产。

8、值得说明的是，步骤(3)中，所述硅蒸气通入铝蒸气中的速度为2-5g/min，例如可以是2g/min，2.2g/min，2.4g/min，2.6g/min，2.8g/min，3g/min，3.2g/min，3.4g/min，3.6g/min，3.8g/min，4g/min，4.2g/min，4.4g/min，4.6g/min，4.8g/min，5g/min等；本发明中所述硅蒸气通入铝蒸气中的速度为2-5g/min，若高于5g/min，则会导致硅纳米线直径较粗且长度较短；若低于2g/min，则会导致硅纳米线较细且长度较短。

9、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述硅源的纯度≥95％，例如可以是95％，95.5％，96％，96.5％，97％，97.5％，98％，98.5％，99％，99.5％，99.9％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

10、优选的，步骤(1)所述硅源包括硅粉、硅块、二氧化硅或氧化亚硅中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例包括硅粉和硅块的组合，硅粉和二氧化硅的组合，硅粉和氧化亚硅的组合，硅块和二氧化硅的组合，硅块和氧化亚硅的组合，二氧化硅和氧化亚硅的组合。

11、作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述一次蒸发的温度为1600-2000℃，例如可以是1600℃，1650℃，1700℃，1750℃，1800℃，1850℃，1900℃，2000℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

12、作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述铝源包括铝板、铝粉或铝丝中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例包括铝板和铝粉的组合，铝板和铝丝的组合，铝粉和铝丝的组合。

13、优选的，步骤(2)所述铝源的表面含有镀层。

14、优选的，所述镀层的材料包括金和/或银。

15、作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述二次蒸发的温度为500-800℃，例如可以是500℃，520℃，550℃，580℃，600℃，630℃，650℃，670℃，700℃，730℃，50℃，780℃，800℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

16、优选的，步骤(2)所述二次蒸发在氩气气氛中进行。

17、作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述反应的温度为500-800℃，例如可以是500℃，520℃，550℃，580℃，600℃，630℃，650℃，670℃，700℃，730℃，50℃，780℃，800℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

18、优选的，步骤(3)所述反应的时间为1-5h，例如可以是1h，1.2h，1.5h，1.8h，2h，2.3h，2.5h，2.7h，3h，3.2h，3.5h，3.8h，4h，4.2h，4.5h，4.7h，5h等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

20、(1)将纯度≥95％硅源升温至1600-2000℃进行一次蒸发得到硅蒸气；

21、其中，硅源包括硅粉、硅块、二氧化硅或氧化亚硅中的任意一种或至少两种的组合；

22、(2)将铝源升温至500-800℃、氩气气氛下进行二次蒸发得到铝蒸气；

23、其中，铝源包括铝板、铝粉或铝丝中的任意一种或至少两种的组合；铝源的表面含有金和/或银镀层；

24、(3)将硅蒸气以2-5g/min的速度通入铝蒸气中进行在500-800℃反应1-5h，得到硅纳米线。

25、本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述制备方法得到的硅纳米线，所述硅纳米线的直径＜200nm，长度＞100μm。

26、本发明的目的之三在于提供一种目的之二所述硅纳米线的应用，所述硅纳米线用于制备锂电池负极极片。

27、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

28、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

29、(1)本发明所述硅纳米线的制备方法对原料纯度要求不高，使用熔点较低且具有还原性的铝作为硅纳米线控制剂，成本可控；

30、(2)本发明所述硅纳米线的制备方法工序简单可靠，便于大规模量产。