本发明专利技术属于电池材料制备领域，具体涉及一种利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，将蛇纹石和气相碳源进行气相沉碳处理；将气相沉碳后的材料进行金属热还原，随后经酸洗涤，制得前驱体；将前驱体继续升温热处理，随后趁热置于冷媒中进行急冷处理，制得所述的多孔硅纳米片负极活性材料。本发明专利技术还提供所述方法制得的材料及其在锂负极材料中的应用。本发明专利技术方法，能够成功实现蛇纹石制备负极材料，且能够改善制得的蛇纹石来源的负极的电化学性能。化学性能。
【技术实现步骤摘要】
一种蛇纹石来源的多孔硅纳米片负极活性材料及其制备和在锂离子电池中的应用
[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及锂离子硅负极材料领域。
技术介绍
[0002]锂离子电池由于具有理论比容量大、循环寿命长、能量密度高等优点，产业得到了快速发展，现在已经广泛应用于各个领域。在已知的锂离子电池负极材料中，硅的能量密度最高，硅材料来源广泛，并且具有较低的嵌锂电位，因此，硅基材料是一种有极大的应用前景的负极材料，有希望取代目前使用的石墨负极成为新一代锂离子电池的负极材料。但是硅负极材料在循环过程中的体积膨胀使得电极结构破裂和SEI反复生成，导致循环寿命快速衰退，限制了硅负极材料的发展和应用。纳米化和碳层包覆都是针对上述问题而提出的解决方案，但是简单的制备硅纳米结构并包覆碳层只能部分缓解体积膨胀造成的结构破裂，而且纳米结构带来大量SEI膜在表面生成，造成有限Li
+
的消耗。因为，需要专利技术新的纳米和碳层来进一步解决上述问题。
[0003]蛇纹石分子式是Mg3(Si2O5)(OH)4，常伴生有铁、镍、钴、铬及少量的铂族元素(如铂、铑、铱)等。蛇纹石的理论化学组成：MgO质量分数为29.30％
‑
44.70％，SiO2质量分数44.20％
‑
57.37％，H2O质量分数为13.1％，有时发生Fe和Ni取代Mg而生成少量的FeO、Fe2O3、NiO等。蛇纹石是一种层状结构的矿石，是由硅氧四面体和氢氧镁石的八面体按1:1复合而成的1:1型三八面体层状硅酸盐，在硅氧四面体连接形成的网状(Si2O5)
n
层中，所有四面体结构的朝向相同，同时与氢氧镁石层相连；由Mg
‑
O2(OH)4构成的八面体氢氧镁石层任一方向上每3个羟基中有2个被硅氧四面体项角上的活性氧所取代。我国有着丰富的蛇纹石矿产资源，已探明其储量超过5亿吨，并且分布广泛，又由于其性质稳定，因而用途广泛，前景广阔。若能利用蛇纹石的层状结构且富含二氧化硅的特点，将其制备成具有新型结构特点的硅负极材料，将是一项具有重要潜在经济价值的工作。然而，利用蛇纹石制备负极材料的资源化方式还比较匮乏，蛇纹石来源的负极材料的制备还存在诸多的技术难点需要克服。
技术实现思路
[0004]本专利技术第一目的在于，提供一种利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，旨在利用蛇纹石制备高性能的硅负极材料。
[0005]本专利技术第二目的在于，提供所述的制备方法制得的硅负极材料及其在锂离子电池中的应用。
[0006]本专利技术第三目的在于，提供一种包含所述硅负极材料的锂离子电池及其负极和负极材料。
[0007]蛇纹石含有层状的二氧化硅结构，理论上可以用于制备锂离子电池的负极，但蛇纹石制备负极材料时，还需要克服诸多的技术难点，例如：(1)蛇纹石中成分较复杂，存在电化学无益成分，这些成分的保留会很大程度干扰制得的材料的电化学性能；(2)蛇纹石的微
观结构以及晶粒结构难于有效适配锂离子的嵌入以及脱嵌要求；(3)蛇纹石来源的负极材料还存在电导率不理想等问题。针对蛇纹石制备硅负极材料存电化学无益成分难于高选择性剔除、微观结构电化学适配性不理想、电导率不理想等制备难题，本专利技术提供以下改进方案，具体为：
[0008]一种利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，步骤包括：
[0009]步骤(1)：
[0010]将蛇纹石和气相碳源进行气相沉碳处理；
[0011]步骤(2)：
[0012]将气相沉碳后的材料进行金属热还原，随后经酸洗涤，制得前驱体；
[0013]步骤(3)：
[0014]将前驱体继续升温热处理，随后趁热置于冷媒中进行急冷处理，制得所述的多孔硅纳米片负极活性材料。
[0015]本专利技术研究发现，对蛇纹石预先进行气相沉碳
‑
金属热还原，随后配合酸洗、热处理、急冷工艺，能够实现工艺步骤的协同，能够解决蛇纹石电化学有益成分以及无益成分的选择性保留问题，且能够调整微观层级结构、晶粒结构，改善电导率，有助于协同改善制得的负极材料的电化学性能。
[0016]本专利技术中，对蛇纹石的类型没有特别要求，可以是行业内任意的蛇纹石材料。
[0017]例如，所述蛇纹石中，氧化镁含量不高于42％；余量为二氧化硅；
[0018]优选地，所述的蛇纹石中，含有微量元素，所述的微量元素为铁、镍、钴中的至少一种；
[0019]优选地，所述的微量元素的含量不低于2％；
[0020]优选地，所述的蛇纹石预先经破碎处理，控制蛇纹石的颗粒大小为10
‑
30μm。
[0021]本专利技术中，所述的沉碳
‑
还原
‑
酸洗
‑
热处理
‑
急冷工艺顺序以及气相沉碳方式、金属热还原方式的联合协同是协同提高蛇纹石来源的负极材料有益成分、微观结构电学适配性以及电化学性的关键。
[0022]本专利技术中，预先进行气相沉碳是克服蛇纹石制备负极材料问题、改善电化学性能的关键之一。
[0023]所述的气相碳源为气态的烃类、醚类、醇类中的至少一种；
[0024]优选地，所述的烃类为C1～C6的烷烃、C2～C8的烯烃、C2～C8的炔烃、C3～C6的环烷烃中的至少一种；
[0025]优选地，所述的醚类为C2～C
10
的单醚或者多元醚；
[0026]优选地，所述的醇类为C1～C6的多元或者单元醇；
[0027]优选地，气相碳源为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔中的至少一种。
[0028]优选地，气相沉碳阶段的温度为600
‑
800℃；
[0029]优选地，气相沉碳阶段的时间为3
‑
10h，优选为5～10h。
[0030]本专利技术中，将气相沉碳的材料进行金属热方式还原，如此有助于改善蛇纹石来源的负极的成分、微观结构适配性以及电化学性能的关键。
[0031]本专利技术中，金属热还原中的还原金属为Mg、Al、Zn、Fe中的至少一种；
[0032]优选地，金属热还原阶段，气相沉碳后的材料与还原金属的质量比为1:(0.5
‑
4)，
进一步优选为1:1～3；
[0033]优选地，金属热还原在真空下进行；
[0034]优选地，金属热还原的温度为500
‑
800℃，进一步优选为650～800℃；
[0035]优选地，金属热还原的时间为6～12h，进一步优选为8～12h。
[0036]本专利技术中，对金属热的产物进行酸洗涤处理后再进行后续的热处理和急冷工艺，如此能够意外地实现协同，改善材料的晶粒以及层级结构，使其适配锂离子电池的使用需求，改善锂离子电池的电化学性能。
[0037]优选地，酸洗涤过程的酸液为无机强酸水溶液；
[0038]优选地，所述的无机强酸为盐酸、硫酸、硝酸中的至少本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，其特征在于，步骤包括：步骤(1)：将蛇纹石和气相碳源进行气相沉碳处理；步骤(2)：将气相沉碳后的材料进行金属热还原，随后经酸洗涤，制得前驱体；步骤(3)：将前驱体继续升温热处理，随后趁热置于冷媒中进行急冷处理，制得所述的多孔硅纳米片负极活性材料。2.如权利要求1所述的利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，其特征在于，所述蛇纹石中，氧化镁含量不高于42％；余量为二氧化硅；优选地，所述的蛇纹石中，含有微量元素，所述的微量元素为铁、镍、钴中的至少一种；优选地，所述的微量元素的含量不低于2％；优选地，所述的蛇纹石预先经破碎处理，控制蛇纹石的颗粒大小为10
‑
30μm。3.如权利要求1所述的利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，其特征在于，所述的气相碳源为气态的烃类、醚类、醇类中的至少一种；优选地，所述的烃类为C1～C6的烷烃、C2～C8的烯烃、C2～C8的炔烃、C3～C6的环烷烃中的至少一种；优选地，所述的醚类为C2～C
10
的单醚或者多元醚；优选地，所述的醇类为C1～C6的多元或者单元醇；优选地，气相碳源为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔中的至少一种。4.如权利要求1所述的利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，其特征在于，所述的气相碳源的流速为10
‑
100ml/min；优选地，气相沉碳阶段的温度为600
‑
800℃；优选地，气相沉碳阶段的升温速率为5
‑
10℃/min；优选地，气相沉碳阶段的时间为3
‑
10h。5.如权利要求1所述的利用蛇纹石制备多孔硅纳米片负极活性材料的方法，其特征在于，金属热还原中的还原金属为Mg...
【专利技术属性】
技术研发人员：张亚光，李振晓，唐晶晶，杨娟，周向阳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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