多孔硅的制造方法与流程

本发明总体上涉及硅领域，并且更具体地涉及硅领域中新的且有用的系统和方法。

背景技术：

0、背景

1、硅(si)的高比容量使其成为有吸引力的电池电极材料。然而，大的体积膨胀和反应性仍然是开发si电极的障碍。多孔硅可以克服在电极中使用si的一些现有挑战。因此，在硅领域中存在对于新的且有用的系统和方法的需求。本发明提供了这样的新的且有用的系统和方法。

技术实现思路

技术特征：

1.一种用于制造电池阳极材料的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述热解法二氧化硅与所述盐混合包括：

3.根据权利要求2的方法，其中所述盐包括氯化钠。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用酸性溶液洗涤所述硅来除去所述还原的副产物。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括用导电包覆层包覆所述硅。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述导电包覆层包括无定形碳。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述热解法二氧化硅和所述盐的所述混合物暴露于还原剂之前碾磨所述混合物。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述还原剂包括镁。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述热解法二氧化硅与所述盐混合之前纯化所述热解法二氧化硅。

10.一种包括在金属还原剂的存在下还原未纯化的二氧化硅以制备多孔硅材料的方法，所述多孔硅材料包括硅纳米颗粒的互连的网络，其中所述硅纳米颗粒的尺寸在约2纳米(nm)和500nm之间。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括在还原所述未纯化的二氧化硅之前将所述未纯化的二氧化硅暴露于盐。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述盐包覆所述未纯化的二氧化硅。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述硅纳米颗粒包括基本上均匀的颗粒尺寸分布。

14.根据权利要求10所述的方法，还包括用碳质材料包覆所述硅材料。

15.根据权利要求14所述的方法，其中使用化学气相沉积来包覆所述硅材料。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述多孔硅材料内的碳负载量在约1％和80％之间。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳质材料包覆纳米颗粒的簇，而不包覆单独的纳米颗粒。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述包覆所述硅材料包括控制碳源添加以保持目标碳与硅的比。

19.根据权利要求10所述的方法，其中所述未纯化的二氧化硅包含至多约94％的硅氧化物。

20.根据权利要求10所述的方法，其中还原所述未纯化的二氧化硅包括将所述未纯化的二氧化硅加热到600℃和1000℃之间。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括在将所述未纯化的二氧化硅加热到600℃和1000℃之间之前，将所述未纯化的二氧化硅加热到在300℃-500℃之间的初始温度，持续约1-6小时之间。

22.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔硅材料包括与所述未纯化的二氧化硅基本上相同的结构。

23.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔硅材料包括在50m2/g和1500m2/g之间的表面积。

24.一种硅材料，包括：

25.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括球状形态。

26.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒的尺寸分布是基本上均匀的。

27.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇内形成互连的网络。

28.根据权利要求27所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒被烧结在一起。

29.根据权利要求24所述的硅材料，还包括碳质包覆层，所述碳质包覆层包括无定形碳、聚合物或石墨碳中的至少一种。

30.根据权利要求29所述的硅材料，其中所述碳质包覆层包覆所述簇或所述团聚体中的至少一种。

31.根据权利要求30所述的硅材料，其中所述碳质包覆层基本上在所述簇外部。

32.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制成。

33.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述一级孔的孔径在0.5nm和200nm之间。

34.根据权利要求24所述的硅材料，其中在膨胀期间，所述团聚体内的内部尺寸改变，并且所述团聚体的外部尺寸保持基本上恒定。

35.一种电池阳极，所述电池阳极包括多孔硅材料，所述多孔硅材料包括在30％和99％之间的孔隙率、在0.5纳米(nm)和200nm之间的平均孔径、在0.02m2/g和1500m2/g之间的表面积、按质量计在约3％和37％之间的氧含量百分比以及至多15％的外部体积膨胀。

36.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括具有在约2nm和150nm之间的特征尺寸的硅纳米颗粒。

37.根据权利要求36所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒是球状的。

38.根据权利要求36所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。

39.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料的孔包含在约1％和80％之间的碳负载量。

40.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上保持在孔的外部的表面包覆层。

41.根据权利要求40所述的电池阳极，其中所述表面包覆层包含碳、二氧化硅和锂中的至少一种。

42.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料响应于负载有锂而膨胀。

43.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上各向同性的弯曲度。

44.一种多孔硅材料，包括至多40％的外部体积膨胀。

45.根据权利要求44所述的多孔硅材料，还包括根据权利要求23-43的任何特征或特性。

46.一种硅材料，包括：

47.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。

48.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述非球状形态包括蛆型形态。

49.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述聚集体包括在约300nm和1000nm之间的聚集体尺寸。

50.根据权利要求46所述的硅材料，还包括三级结构，所述三级结构包括所述硅纳米颗粒的所述聚集体的团聚体。

51.根据权利要求50所述的硅材料，其中在膨胀期间，孔径减小并且所述三级结构的外部尺寸变化小于40％。

52.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述孔的孔径在约0.2nm和500nm之间。

53.根据权利要求46所述的硅材料，还包括传导性包覆层。

54.根据权利要求53所述的硅材料，其中所述传导性包覆层包覆所述硅纳米颗粒。

55.根据权利要求53所述的硅材料，其中所述传导性包覆层包括以下项中的至少一种：聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯腈、海藻酸盐、聚酰亚胺、聚酰胺、聚苯胺、聚吡咯、聚(噻吩)、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)、无定形碳或石墨碳。

56.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒是互连的。

57.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括非球状形态。

58.一种硅材料，包含具有在约10nm和500nm之间的颗粒尺寸的多孔硅纳米颗粒，其中所述多孔硅纳米颗粒形成具有在约300nm和10μm之间的聚集体尺寸的聚集体，其中所述多孔硅纳米颗粒在所述聚集体内协同地界定孔。

59.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒由硅胶制造。

60.根据权利要求58所述的硅材料，其中协同地界定的孔的孔径在0.5nm和200nm之间。

61.根据权利要求60所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒的孔径在约1nm和30nm之间。

62.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述聚集体的外部体积膨胀是至多40％。

63.根据权利要求58所述的硅材料，还包括基本上不穿透所述协同地界定的孔的包覆层。

64.根据权利要求63所述的硅材料，其中所述包覆层是离子导电的。

65.根据权利要求63所述的硅材料，其中所述包覆层的厚度在约1nm和10nm之间。

66.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒是球状的。

67.一种包括在金属还原剂的存在下还原硅胶以制备包含硅纳米颗粒的网络的多孔硅材料的方法，所述硅胶包含具有在约10nm和500nm之间的纳米颗粒尺寸的多孔二氧化硅纳米颗粒。

68.根据权利要求67所述的方法，还包括在还原所述硅胶之前将所述硅胶与盐混合。

69.根据权利要求68所述的方法，其中将所述硅胶与所述盐混合包括：

70.根据权利要求69所述的方法，还包括在将所述硅胶和所述盐的混合物暴露于还原剂之前碾磨所述混合物。

71.根据权利要求67所述的方法，其中所述硅纳米颗粒是多孔的。

72.根据权利要求71所述的方法，其中所述硅纳米颗粒的孔分布与所述多孔二氧化硅纳米颗粒的孔分布是基本上相同的。

73.根据权利要求67所述的方法，其中还原所述硅胶包括将所述硅胶加热到在约600℃和1000℃之间的还原温度，其中所述硅胶保持在所述还原温度持续2小时和10小时之间。

74.根据权利要求73所述的方法，其中用于加热所述硅胶的斜升速率在0.1℃/min和30℃/min之间。

75.根据权利要求74所述的方法，还包括在将所述硅胶加热到所述还原温度之前，将所述硅胶加热到在约300℃和500℃之间的中间温度，其中所述硅胶被保持在所述中间温度持续约1小时和6小时之间。

76.根据权利要求67所述的方法，其中所述金属还原剂包括镁或铝中的至少一种。

77.根据权利要求67所述的方法，还包括从所述多孔硅材料中除去盐、镁、还原副产物或二氧化硅中的至少一种。

78.一种硅材料，包括：

79.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括非球状形态。

80.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒的尺寸分布是基本上均匀的。

81.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇中形成互连的网络。

82.根据权利要求78的硅材料，其中所述组成的所述碳包括石墨。

83.根据权利要求78所述的硅材料，还包括碳质包覆层，所述碳质包覆层包含无定形碳、聚合物或石墨碳中的至少一种。

84.根据权利要求83所述的硅材料，其中所述碳质包覆层包含pan，其中所述pan是环化的。

85.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇内协同地形成一级孔，其中所述一级孔的孔径在0.5nm和200nm之间。

86.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由硅灰制造。

87.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述碳的组成基于所述硅材料的目标电子电导率或目标离子电导率中的至少一个来选择。

88.一种电池阳极，包括具有至少50％硅和在1％-45％之间的碳的组成的多孔硅材料，其中所述多孔硅材料的外部体积膨胀为至多40％。

89.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料包括在约50m2/g-1500m2/g之间的内表面积。

90.根据权利要求89所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料的外表面积在约1m2/g-50m2/g之间。

91.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括至多约5％的氧。

92.根据权利要求91所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒是非球状的。

93.根据权利要求92所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。

94.根据权利要求92所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒协同地形成具有在约100nm-1000nm之间的特征尺寸的簇。

95.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料包括碳质包覆层。

96.根据权利要求95所述的电池阳极，其中所述碳质包覆层包含聚丙烯腈。

97.根据权利要求95所述的电池阳极，其中包覆的多孔硅材料的元素组成取决于所述多孔硅材料内硅与氧的比。

98.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上各向同性的弯曲度。

99.一种用于制造根据权利要求78-98所公开的硅材料的方法。

技术总结
用于制造多孔硅的方法可以包括在还原剂的存在下还原未纯化的二氧化硅以制备多孔硅材料。多孔硅材料可以包括一级特征、二级特征和/或三级特征，所述一级特征、二级特征和/或三级特征可以包括孔和/或协同地形成孔。

技术研发人员：罗伯特·C·约内斯库,刘玨
受保护的技术使用者：约诺贝尔公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13