一种纳米硅产品制备方法与流程

本发明涉及硅产品制备，尤其涉及一种纳米硅产品制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池以其比能量大、工作电压高、循环使用寿命长、体积小、重量轻、绿色环保等优势广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。目前商业化的锂离子电池负极材料负极材料主要为石墨，包括天然石墨、人造石墨等，但其理论比容量仅为372mah/g，已难以满足锂离子电池应用领域对高能量密度电源的需求。因此，开发新型高比容量的锂离子电池负极材料已成为迫切的课题。

2、纳米硅，是指大小为纳米级别的硅颗粒。纳米硅粉具有纯度高，粒径小，分布均匀等特点，具有表面积大，高表面活性，松装密度低的特点，且无毒，无味。在非碳负极材料中，硅基材料由于具有最高的理论嵌锂容量4200mah/g，远高于其它所有负极材料的理论嵌锂容量，且硅的储量丰富(地壳元素含量中排第二位)，由于纳米硅对于锂电池的高吸收率，将纳米硅用于锂电池，替代纳米碳粉或石墨，作为锂电池负极材料，因此，纳米硅已成为新一代锂离子电池的负极材料。

3、目前，纳米硅材料的制备方法有两大类，干法和湿法。干法包括气相法和电弧法，湿法包括溶胶凝胶法，沉淀法，微乳液法等。干法制备的纳米硅材料性能比较好，且纯度高，但是用这种方法制备成本高，并且在生产过程中能耗大。因此，国内一般采用湿法工艺制备纳米硅材料。

4、在湿法工艺制作纳米硅材料的过程中，使用水对硅材料进行球磨，但硅颗粒尺寸磨到一定程度就无法进一步降低，硅材料易被氧化，且存在安全隐患。

5、为了进一步降低硅产品颗粒尺寸，防止硅产品被氧化，提高纳米硅产品存储的稳定性和安全性，本发明提出了一种纳米硅产品制备方法。

技术实现思路

1、本发明公开了一种纳米硅产品制备方法，解决了现有技术中硅产品颗粒尺寸磨到一定程度就无法进一步降低，硅材料易被氧化，且存在安全隐的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种纳米硅产品制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1)将颗粒硅原料放入具有保温功能的分散罐中，加入液氮，液面没过颗粒硅原料，冷冻时间为0.5～3h；

5、步骤2)液氮全部挥发后，在分散罐中加入水，分散处理得到浆料1；

6、步骤3)采用氧化锆球对浆料1进行球磨处理，研磨过程中加入腐蚀剂，继续研磨得到浆料2；

7、步骤4)对浆料2进行压滤、水洗、压滤得到超细纳米硅粉体；

8、步骤5)在回转炉中建立氮气或氩气氛围，将超细纳米硅粉体放入回转炉中低温烘干，然后通入碳源气体，在高温下对超细纳米硅粉体进行碳包覆；

9、步骤6)粉碎碳包覆的超细纳米硅粉体，获得纳米硅产品。

10、优选的，步骤1)中，所述的颗粒硅原料为晶体硅，平均粒径为1～20μm，氧含量0.1～5％。

11、优选的，步骤1)中，所述液氮温度-190～-100℃。

12、优选的，步骤2)中，所述浆料1的固含量为10～40％，所述固含量定义为：固体不溶质重量/浆料1的总重量。

13、优选的，步骤3)中，球磨时间为2～10h，氧化锆球大小尺寸为0.03～0.5mm，所述腐蚀剂为氢氟酸，所述浆料1与氢氟酸的质量比例为100:(1～10)，氢氟酸可分1～3次加入。

14、优选的，步骤5)中，所述低温烘干温度为150～300℃，烘干时间0.5～3小时，所述碳包覆温度为500～1200℃，保温0.5～5h，所述碳源气体为甲烷、乙烯、乙炔中的1种或其中2种的组合。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、(1)本发明的一种纳米硅产品制备方法，将颗粒硅原料放入具有保温功能的分散罐中，加入-190～-100℃的液氮，液氮的液面没过颗粒硅原料，冷冻0.5～3h，待液氮全部挥发后，加入水，进行分散处理，然后加入氧化锆球进行研磨，在研磨过程中可多次加入腐蚀剂，研磨结束后，对得到的浆料进行压滤、水洗、压滤得到超细纳米硅粉体，将超细纳米硅粉体放入有氮气或氩气氛围的回转炉中低温烘干，然后通入碳源气体，在高温下对超细纳米硅粉体进行碳包覆，最后进行粉碎获得纳米硅产品。本发明通过颗粒硅原料低温处理方式，降低了颗粒硅原料的硬度，同时使用腐蚀剂加速硅颗粒的破碎，从而制备出超细纳米硅材料，对制备的超细纳米硅进行碳包覆，提高了纳米硅存储的稳定性和安全性。

17、(2)本发明的一种纳米硅产品制备方法，工艺过程中使用液氮对颗粒硅原料进行冷冻，使用热胀冷缩原理增加了颗粒硅原料的脆性，加入的腐蚀剂对颗粒硅原料进行腐蚀，使得颗粒硅原料的直径进一步缩小，提高了硅产品的品质。

18、(3)本发明的一种纳米硅产品制备方法，具有易操作，工艺过程简单，生产效率高，安全性好的优点。

技术特征：

1.一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述的颗粒硅原料为晶体硅，平均粒径为1～20μm，氧含量0.1～5％。

3.根据权利要求1所述的一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述液氮温度-190～-100℃。

4.根据权利要求1所述的一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述浆料1的固含量为10～40％，所述固含量定义为：固体不溶质重量/浆料1的总重量。

5.根据权利要求1所述的一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：步骤3)中，球磨时间为2～10h，氧化锆球大小尺寸为0.03～0.5mm，所述腐蚀剂为氢氟酸，所述浆料1与氢氟酸的质量比例为100:(1～10)，氢氟酸可分1～3次加入。

6.根据权利要求1所述的一种纳米硅产品制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述低温烘干温度为150～300℃，烘干时间0.5～3小时，所述碳包覆温度为500～1200℃，保温0.5～5h，所述碳源气体为甲烷、乙烯、乙炔中的1种或其中2种的组合。

技术总结
本发明公开了一种纳米硅产品制备方法，将颗粒硅原料放入具有保温功能的分散罐中，加入‑190～‑100℃的液氮，冷冻0.5～3h，待液氮全部挥发后，加入水，进行分散处理，然后使用氧化锆球进行研磨，在研磨过程中可多次加入腐蚀剂，研磨结束后，对得到的浆料进行压滤、水洗、压滤得到超细纳米硅粉体，将超细纳米硅粉体放入有氮气或氩气氛围的回转炉中低温烘干，然后通入碳源气体，在高温下对超细纳米硅粉体进行碳包覆，最后进行粉碎获得纳米硅产品。本发明使用液氮对颗粒硅原料进行冷冻，使用热胀冷缩原理增加了颗粒硅原料的脆性，加入的腐蚀剂对颗粒硅原料进行腐蚀，使得颗粒硅原料的直径进一步缩小，提高了硅产品的品质。

技术研发人员：吴辉,张东亮
受保护的技术使用者：恒言（无锡）新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25