一种氧化铝包覆纳米硅及其连续化制备方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种氧化铝包覆纳米硅及其连续化制备方法和系统，所述方法包括：S1：将纳米硅和分散剂送入分散装置中制成纳米硅分散浆料，并且在缓冲液制备装置中配制缓冲溶液；S2：将所述纳米硅分散浆料和所述缓冲溶液输送到反应釜中，形成混合浆料，调节反应釜中混合浆料的pH在3.5

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝包覆纳米硅及其连续化制备方法和系统


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，特别涉及一种氧化铝包覆纳米硅及其连续化制备方法和系统。

技术介绍

[0002]在现有的二次电化学储能装置中，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、成本相对较低、无记忆效应等特点，目前已被广泛应用于各种消费力电子设备、储能电池以及电动电池中。当前主流锂离子电池的负极依然为理论比容量为372mAh/g的石墨负极材料，其在实际电池中的容量已经接近极限容量。在碳中和的大背景下，锂离子电池作为公认的最合适大规模应用的新能源储能技术之一，因此面临更大的应用市场和更加苛刻的技术挑战。
[0003]为应对锂离子电池能量密度的提升，开发可大规模生产的高容量新型锂离子电池负极材料成为重点任务之一。相比石墨材料，硅的理论容量达到4200mAh/g，是最具发展潜力的下一代高容量锂离子电池负极材料。但硅材料在锂离子电池的实际应用中，其在脱、嵌锂过程中产生巨大的体积膨胀，导致整体材料结构随着充放电不断膨胀收缩而发生坍塌，因此无法形成稳定的固体电解质界面层（SEI），导致其容量随着充放电迅速衰减。目前为解决上述问题，采用表面包覆、结构复合等方法以便改善硅负极材料的循环稳定性。
[0004]在实际应用和开发中表面改性包覆可以显著提升纳米材料的界面性能。针对硅负极材料的碳包覆研究已经很多，但无法从根本上很好的解决硅材料的稳定性；而采用氧化铝包覆是一个效果明显的包覆技术手段，该包覆层有助于硅基负极材料表面形成更稳定的SEI层。已提出的通过原子层沉积（ALD）技术包覆氧化铝可以达到原子级别的均匀包覆，但该技术方案需要使用易燃易爆的有机铝化合物和昂贵复杂的ALD系统；同时纳米硅的极易团聚的特性使得ALD技术在纳米硅负极材料在规模生产下很难实现对纳米硅粉体材料的均匀包覆；而ALD技术的特点使得该技术在应用到纳米粉体材料的包覆时很难做到连续批量化，因此利用ALD技术对纳米硅做氧化铝包覆面临成本高、规模化难度大、粉体难以保证包覆均匀性等难题。
[0005]对比ALD技术，纳米硅在液相下利用固液界面的表面特性可以实现更加充分的分散，因此能保证更加优异更均匀的包覆效果，尤其是在大规模制备过程中，纳米硅粉体的充分分散是实现对纳米硅表面均匀包覆的重要提前；而包覆层的可控性和均一性则是保证批量化生产中保证材料批次稳定的重要影响因素。因此开发一种简单可控、可实现连续化规模制备氧化铝包覆纳米硅的方法以及系统具有很强的现实技术意义。
[0006]现有技术中已知采用液相和ALD技术对纳米硅进行氧化铝包覆。有人公开了一种方法，该方法包括在高温下对纳米硅进行预氧化，再在铝粉和锡粉的进行热处理，最后用酸进行处理得到氧化铝包覆的硅材料，该制备过程使用到了酸，同时需要高温设备增加了材料制备能耗。还有人提出的方法则是原子层沉淀技术（ALD）通过对负载于石墨上的纳米硅材料进行金属氧化包覆，其中包含氧化铝材料，该方法涉及复杂的ALD技术系统，在实现连
续化生产方面存在的障碍和难度，而且，氧化铝包覆层最终将通过酸被清洗掉。
[0007]故如何提供一种低成本、可连续化生产氧化铝包覆纳米硅的方法，且制备得到的氧化铝包覆纳米硅还要具有优秀的电化学性能，是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术提出了一种可以低成本、连续化且可规模化制备氧化硅均匀包覆纳米硅材料的方法和系统，该氧化铝包覆纳米硅材料可用作锂离子电池中的负电极活性材料。
[0009]具体通过以下技术方案实现：一种连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将纳米硅和分散剂送入分散装置中制成纳米硅分散浆料，并且在缓冲液制备装置中配制缓冲溶液；S2：将所述纳米硅分散浆料和所述缓冲溶液输送到反应釜中，形成混合浆料，调节反应釜中混合浆料的pH在3.5
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5.5并保持pH稳定，然后对反应釜中的混合浆料进行加热，加热至60
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90℃；S3：向反应釜中加入包覆前驱体材料，进行纳米硅的包覆反应；S4：终止包覆反应，将包覆后的纳米硅从反应釜中移出。
[0010]步骤S2中，反应釜中混合浆料的pH是保证包覆反应的核心因素之一。当pH低于3.5时，无法形成氧化铝包覆层；当pH高于5.5时，则纳米硅的表面不能被均匀地包覆。
[0011]步骤S2中，反应釜中混合浆料的温度若高于90℃，由于反应体系是水溶液体系，温度过高则水溶液体系沸腾蒸发过快，影响包覆浆料浓度，进而影响体系pH等包覆条件，最终会导致包覆失败；反应釜中混合浆料的温度若低于60℃，则包覆层的效果不好。
[0012]进一步地，步骤S1中，所述纳米硅的D
50
粒径为10nm
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900nm。本专利技术中“D
50
粒径”是指通过激光衍射法进行粒径分布测量时的累积重量平均值D
50
（或中值粒径）。纳米硅的粒径若低于10nm，则粒径太小，导致分散困难、易团聚；纳米硅的粒径若高于900nm，则粒径过大，嵌锂后体积膨胀严重，优选地，纳米硅D
50
粒径为10nm
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150nm。
[0013]优选地，所述分散装置中设置有乳化均质机或高速分散盘，乳化均质机或高速分散盘提供高速剪切力，使纳米硅在分散剂中充分分散。
[0014]进一步地，步骤S1中，所述缓冲溶液的pH范围为8.2
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10.2。缓冲溶液的pH范围为8.2
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10.2，有助于保证反应体系的pH稳定。
[0015]具体地，所述缓冲溶液通过缓冲盐溶解于溶液中制备得到，所述溶液为水和有机溶剂的混合体系，所述缓冲盐包括但不限于氨水、碳酸氢铵、乙酸铵、甲酸铵、硼酸、1
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甲基哌啶或甘氨酸中的一种或多种，优选乙酸铵、甲酸铵、硼酸、1
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甲基哌中的一种或多种，所述有机溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、四氢呋喃、乙酸甲酯或丙酮中的一种或多种。由于反应体系是水溶液，故有机溶剂优选低沸点且易与水相溶，有助于纳米硅在有机溶剂中更好的分散，在缓冲盐所溶解的溶液中，水和有机溶剂的体积比范围在（99%：1%）
‑
（70%：30%）。水与有机溶剂的比例若低于99%：1%，有机溶剂对加速纳米硅的分散改善作用不明显；而水与有机溶剂的比例若大于70%：30%，则会有过多的有机溶剂，会影响后续工艺的进行，尤其是在选用甲醇、乙醇、四氢呋喃等易挥发易燃溶剂时，使用量过大会增加安全隐患。
[0016]进一步地，步骤S2中，反应釜中设置有搅拌桨，搅拌桨能够将纳米硅分散浆料和缓冲溶液充分混合。
[0017]具体地，步骤S2中，用有机酸或无机酸将混合浆料的pH调节到3.5
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5.5，所述有机酸包括但不限于甲酸、乙酸或丙酸中的一种或多种，所述无机酸包括但不限于硫酸或盐酸。
[0018]具体地，所述加热操作通过制冷加热循环系统实现，制冷加热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将纳米硅和分散剂送入分散装置中制成纳米硅分散浆料，并且在缓冲液制备装置中配制缓冲溶液；S2：将所述纳米硅分散浆料和所述缓冲溶液输送到反应釜中，形成混合浆料，调节反应釜中混合浆料的pH在3.5
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5.5并保持pH稳定，然后对反应釜中混合浆料进行加热，加热至60
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90℃；S3：向反应釜中加入包覆前驱体材料，进行纳米硅的包覆反应；S4：终止包覆反应，将包覆后的纳米硅从反应釜中移出。2.根据权利要求1所述的连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米硅的D50粒径为10nm
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900nm。3.根据权利要求1所述的连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，步骤S1中，所述缓冲溶液的pH范围为8.2
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10.2。4.根据权利要求1所述的连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，步骤S1中，所述缓冲溶液的缓冲盐选自氨水、碳酸氢铵、乙酸铵、甲酸铵、硼酸、1
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甲基哌啶或甘氨酸中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的连续化制备氧化铝包覆纳米硅的方法，其特征在于，步骤S2中，用有机酸或无机酸对反应釜中混合浆料的pH进行调节，所述有机酸选自甲酸、乙酸或丙酸中的一种或多种，所述无机酸选自硫酸或盐酸中的一种或两种。6.根据权利要求1所述的连续化制备氧化铝包覆纳米硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王预，慈立杰，吉凤君，张帅，
申请(专利权)人：深圳索理德新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：