一种无定形硅材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种无定形硅材料的制备方法，包括：将活泼金属和卤硅烷置于有机溶剂中，在保护气体的存在下于室温下进行球磨；球磨结束后，将所得反应液经洗涤、干燥后，得到无定形硅材料粗品；在保护气体存在下将所得无定形硅材料粗品进行烧结纯化，得到无定形硅材料。该方法操作简单、条件温和、反应温度较低，通过球磨下的直接液相反应即可制得形貌均一、粒径较小的无定形硅，且易实现其低成本产业化生产。本发明专利技术还提供了无定形硅材料及其在能源领域的应用。的应用。的应用。

【技术实现步骤摘要】
甲基吡咯烷酮(NMP)、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮(DMI)、六甲基磷酰三胺(HMPA)中的至少一种，但不限于此。
[0016]优选地，所述有机溶剂为四氢呋喃或乙二醇二甲醚。
[0017]可选地，所述洗涤采用酸、醇、水中的一种或多种。在本专利技术一实施方式中，所述洗涤依次包括酸洗和水洗。其中，所述酸洗所用的酸可以为稀盐酸、磷酸、乙酸、稀硝酸、稀硫酸中的至少一种。所述酸洗尽量不使球磨后的产物产生多孔。
[0018]所述烧结既可清除掉无定形硅粗品中的部分有机物，还可使其性能更稳定。可选地，所述烧结时的烧结温度为100-1500℃。优选为300-1000℃。
[0019]可选地，所述烧结时的烧结时间为0.5-6h。
[0020]可选地，所述烧结是以1-20℃/min的速率升温至所述烧结温度。例如，升温速率可以为3、5、8、10、12、15、18、20℃/min。可选地，所述烧结时的升温速率为5-15℃/min。
[0021]本专利技术第一方面提供的无定形硅材料的制备方法，首次通过球磨下的直接液相法，即可使活泼金属与卤硅烷的反应于室温下就能进行，且反应速率较快，反应时间较短，还原反应所得无定形硅的粒径较小、形貌较均一、致密度较高。该制备方法操作简单、条件温和、产量高，无需额外加热，简化了反应设备；可实现无定形硅材料的低成本、连续化大批量生产。
[0022]第二方面，本专利技术还提供了由上述制备方法制备得到的无定形硅材料。
[0023]其中，所述无定形硅材料的粒径为50-500nm。可选地，所述无定形硅材料的粒径为100-500nm，优选为200-350nm。本专利技术中，所述无定形硅材料的粒径较小，采用其作为锂离子电池负极材料时可提高锂离子电池的循环稳定性。
[0024]可选地，所述无定形硅材料的孔隙度低于0.5cm3/g。所述无定形硅材料的孔结构较少，致密度较高，采用该无定形硅材料制作锂离子电池的负极时，可以提高锂离子电池的能量密度和首次充放电效率，并且减少电解液的损失。
[0025]第三方面，本专利技术还提供了一种如本专利技术第二方面所述的无定形硅材料在能源领域的应用。例如，所述无定形硅材料可用于制备锂离子电池的负极材料。
[0026]采用上述粒径较小、形貌均一且几乎无多孔结构的无定形硅材料制作锂离子电池，可以提升锂离子电池的能量密度，且提高同批次材料间的均一性。
[0027]本专利技术一实施方式中，将上述无定形硅材料、粘结剂、导电剂和溶剂配置成混合浆料，将所述负极浆料涂覆到集流体上，干燥后得到负极片。该负极片包括集流体和设置在集流体上的负极材料，该负极材料包括无定形硅材料、粘结剂、导电剂。
[0028]可选地，所述粘结剂为海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇(PVA)、纤维素、聚甲基丙烯酰胺、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯聚偏氯乙烯、LA系列粘结剂(如LA133、LA132、LA135)中的至少一种。所述导电剂选自石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、导电炭黑和炉黑中的至少一种。其中，所述导电炭黑可以包括乙炔黑、科琴黑、Supper P、350G炭黑等中的至少一种。
[0029]当然，在本专利技术其他实施方式中，还可将所述无定形硅材料与碳进行复合，形成硅碳复合材料，进而应用到锂离子电池领域。
[0030]本专利技术实施例的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本专利技术实施例的实施而获知。
附图说明
[0031]图1是本专利技术实施例1制得的无定形硅材料的扫描电镜图(SEM)。
[0032]图2是本专利技术实施例1制得的无定形硅材料的X射线衍射仪(XRD)图谱。
[0033]图3是对比例1制得的硅材料的SEM图；
[0034]图4是对比例3制得的硅材料的SEM图；
[0035]图5是由本专利技术实施例1制得的无定形硅材料制成的锂离子半电池的电压-比容量曲线。
具体实施方式
[0036]以下所述是本专利技术实施例的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利技术实施例的保护范围。
[0037]下面分多个实施例对本专利技术实施例进行进一步的说明。本专利技术实施例不限定于以下的具体实施例。
[0038]实施例1
[0039]一种无定形硅材料的制备方法，包括以下步骤：
[0040](1)将1g镁(0.042mol)和2mL的四氯化硅(0.017mol)置于20mL的乙二醇二甲醚中，在氩气保护下装入球磨罐中，于室温下在600转/分的转速下球磨1h；之后对所得反应物采用盐酸进行酸洗，之后用去离子水洗涤，再经干燥后，得到无定形硅材料粗品(0.45g)；
[0041](2)在氩气保护下，将所得无定形硅粗品移入管式炉中，以5℃/min的速率升温至烧结温度700℃，在700℃下烧结2h，得到纯化后的无定形硅材料(0.4g)。
[0042]对实施例1制得的无定形硅材料进行扫描电镜(SEM)表征，结果如图1所示。图1的结果显示，本专利技术实施例1制得的无定形硅材料的形貌为球形、粒径分布均匀，其D50粒径为150nm，D90粒径为200nm。
[0043]进一步测试实施例1制得的无定形硅材料的X射线衍射仪(XRD)图谱，结果如图2所示。从图2中可以看出，该XRD图没有明显的衍射尖峰，这说明所得材料的结晶度很低，进一步说明其为无定形态。
[0044]实施例2
[0045]一种无定形硅材料的制备方法，包括以下步骤：
[0046](1)将1g镁(0.042mol)和2mL的三氯氢硅(0.016mol)置于20mL的四氢呋喃中，在氩气保护下装入砂磨机中，于室温下在500转/分的转速下球磨2h；之后对所得反应物采用盐酸进行酸洗，之后用去离子水洗，再经干燥后，得到无定形硅材料粗品；
[0047](2)在氩气保护下，将所得无定形硅粗品移入管式炉中，以10℃/min的速率升温至烧结温度800℃，在800℃下烧结1h，得到纯化后的无定形硅材料。
[0048]实施例3
[0049]一种无定形硅材料的制备方法，包括以下步骤：
[0050](1)将1g钠(0.043mol)和2mL的四氯化硅(0.017mol)置于20mL的乙二醇二甲醚中，在氮气保护下装入球磨罐中，于室温下在550转/分的转速下球磨3h；之后对所得反应物采用盐酸进行酸洗，并用去离子水洗涤，再经干燥后，得到无定形硅材料粗品；
[0051](2)在氩气保护下，将所得无定形硅材料粗品移入管式炉中，以10℃/min的速率升温至烧结温度600℃，在600℃下烧结3h，得到纯化后的无定形硅材料。
[0052]为突出本专利技术的技术效果，现针对实施例1设置对比例1-2、针对实施例3设置对比例3。
[0053]对比例1
[0054]在氩气气氛下，将1g镁(0.042mol)和2mL的四氯化硅(0.017m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无定形硅材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将活泼金属和卤硅烷置于有机溶剂中，在保护气体的存在下，于室温下进行球磨，其中，所述球磨的转速为50-1200转/分，所述球磨的时间为0.5-6h；球磨结束后，将所得反应物经洗涤、干燥后，得到无定形硅材料粗品；在保护气体存在下，将所得无定形硅材料粗品进行烧结纯化，得到无定形硅材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨是采用球磨机或砂磨机进行。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活泼金属包括锂、钠、镁、锌、铝中的至少一种；所述卤硅烷包括四氯化硅、四氟化硅、三氯氢硅和三甲基氯硅烷中的至少一种。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括四氯化碳、二硫化碳、苯、甲苯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱才镇，韩沛，孙玮成，罗远益，从广涛，徐坚，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：