纳米硅及液相法制备纳米硅的方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米硅及液相法制备纳米硅的方法和应用，属于电池电极材料技术领域，将HSiCl3和有机胺溶于有机溶剂中，在室温下搅拌6~18小时，得到淡黄色溶液；制得的淡黄色溶液离心、真空干燥得到白色固体；制得的白色固体用乙醇洗涤，经离心、真空干燥得到白色固体硅氯团簇；制得的白色固体硅氯团簇与镁粉和金属盐研磨均匀，转移到管式炉中，在流动氩气（或氮气）保护下于180~500℃热处理10~48小时，冷却后经稀盐酸、稀氢氟酸和去离子水洗涤、离心和真空干燥后得到纳米硅。本发明专利技术优化了纳米硅的制备方法，制备的纳米硅具有很高的结晶性，应用于锂离子电池的负极具有高的容量和能量密度。本发明专利技术提供的纳米硅的制备方法可获得高产率的纳米硅，有望实现产业化，可应用于储能领域的锂离子电池的负极材料。能领域的锂离子电池的负极材料。能领域的锂离子电池的负极材料。

【技术实现步骤摘要】
纳米硅及液相法制备纳米硅的方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米硅及液相法制备纳米硅的方法和应用，属于电池电极材料


技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息旨在增加对本专利技术总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]伴随的化石燃料的不可逆消耗和对环境的严重污染，绿色新能源的开发和应用成为人们的研究热点。锂离子电池因能量密度高、便于携带、环境友好等优点被广泛应用于日常生活之中。硅由于具有高的理论比容量、较低的工作电位、储量丰富等特点，有希望取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。然而硅在脱嵌锂时具有巨大的体积变化（约300%），容易导致颗粒破碎、电极粉化脱落、SEI膜不稳定等问题，硅纳米化可以有效缓解硅的体积效应。目前纳米硅的制备方法多为化学气相沉积或物理气相沉积，能耗高且对设备要求较高。
[0004]公开号为CN114249326A的中国专利技术专利公开了一种液相法制备亚纳米硅碳复合材料的方法，该方法使用格式试剂对硅氯团簇的表面进行修饰，然后高温碳化获得亚纳米硅碳复合材料。但是这种方法的反应温度较高，且最终得到的是硅碳复合材料，硅单质的比重不大，会导致作为锂离子电池的负极时的容量有所降低。

技术实现思路

[0005]针对以上问题，本专利技术提供一种液相法制备纳米硅的方法，该方法反应条件温和，能耗低且对设备的要求低，且具有较高的产率（75%~85%）。
[0006]本专利技术为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种液相法制备纳米硅的方法，包括以下步骤：步骤（1）：将HSiCl3和有机胺溶于有机溶剂中，在室温下搅拌6~18小时，得到淡黄色溶液；步骤（2）：将步骤（1）中制得的淡黄色溶液离心、真空干燥得到白色固体；步骤（3）：将步骤（2）中制得的白色固体用乙醇洗涤，经离心、真空干燥得到白色固体硅氯团簇；步骤（4）：将步骤（3）中制得的白色固体硅氯团簇与镁粉和金属盐研磨均匀，转移到惰性气体管式炉中，在流动高纯氩气或氮气保护下于180~500℃进行热处理10~48小时，冷却后经稀盐酸、稀氢氟酸和去离子水洗涤、离心和真空干燥后得到纳米硅。
[0007]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，有机胺是三乙胺、三丙胺、乙二胺中的一种。
[0008]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，有机溶剂是苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙腈中的一种。
[0009]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，金属盐是无水氯化铝、无水氯化锌、无水氯化铁中的一种。
[0010]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，金属盐是无水氯化铝时，热处理温度是180~500℃；或者金属盐是无水氯化锌或无水氯化铁时，热处理温度是300~500℃。
[0011]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，制得的白色固体硅氯团簇与镁粉和无水氯化铝的质量比为1：0.5~5：5~20。
[0012]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，所述步骤（4）中的管式炉的升温速率为1~10 ℃/min。
[0013]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，所述步骤（4）中使用稀盐酸的浓度为 1 mol/L~6 mol/L。
[0014]所述液相法制备纳米硅的方法优选方案，所述步骤（4）中使用稀氢氟酸的体积浓度为 1 %~20 %。
[0015]本专利技术的优点在于：（1）本专利技术提供了一种液相法制备纳米硅的方法，反应温度温和，能耗低，操作简单，对设备要求低，优化了纳米硅的制备方法。本专利技术利用镁粉的还原性将硅氯团簇还原为纯的纳米硅。在反应过程中使用低熔点的金属盐作为溶剂以降低反应温度。克服了现有技术中使用格式试剂对硅氯团簇的表面进行修饰，然后高温碳化获得亚纳米硅碳复合材料的下述缺陷：反应温度较高，且最终得到的是硅碳复合材料，硅单质的比重不大，会导致作为锂离子电池的负极时的容量有所降低。
[0016]（2）本专利技术制备的纳米硅尺寸小，纯度高，具有高的结晶性，且可以获得较高的产率，应用于锂离子电池的负极具有高的容量和能量密度，有望实现产业化，可应用于储能领域的锂离子电池的负极材料。
附图说明
[0017]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0018]图1是本专利技术实施例1制备的纳米硅的XRD图。
[0019]图2是本专利技术实施例1制备的纳米硅的SEM图。
[0020]图3和图4是本专利技术实施例1制备的纳米硅的TEM图。
[0021]图5是本专利技术实施例1制备的纳米硅作为锂离子电池负极时在0.1A/g 电流密度下的循环性能图。
[0022]图6是商业纳米硅（60
‑
100 nm，购买自阿拉丁）作为锂离子电池负极时在0.1A/g 电流密度下的循环性能图。
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
[0024]除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意
义相同。本专利技术所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本专利技术所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本专利技术方法中。本专利技术中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
[0025]实施例1一种液相法制备纳米硅的方法，包括如下步骤：步骤（1）：将2.0 ml HSiCl3和3.0 ml 三乙胺溶于30.0 ml 甲苯中，在室温下搅拌12小时，得到淡黄色溶液；步骤（2）：将步骤（1）中制得的淡黄色溶液离心、真空干燥得到白色固体；步骤（3）：将步骤（2）中制得的白色固体用乙醇洗涤，经离心、真空干燥得到白色固体硅氯团簇；步骤（4）：称取0.5g步骤（3）中得到的固体硅氯团簇与1.2 g镁粉和5.0 g无水氯化铝研磨均匀，转移到管式炉中，在流动氩气保护下于350 ℃热处理24小时，冷却后经1 mol/L盐酸、10 %氢氟酸和去离子水洗涤、离心和真空干燥后得到纳米硅。
[0026]实施例2一种液相法制备纳米硅的方法，包括如下步骤：步骤（1）：将2.0 ml HSiCl3和3.0 ml 三乙胺溶于30.0 ml 苯中，在室温下搅拌6小时，得到淡黄色溶液；步骤（2）：将步骤（1）中制得的淡黄色溶液离心、真空干燥得到白色固体；步骤（3）：将步骤（2）中制得的白色固体用乙醇洗涤，经离心、真空干燥得到白色固体硅氯团簇；步骤（4）：称取0.5g步骤（3）中得到的固体硅氯团簇与0.25 g镁粉和2.5 g无水氯化铝研磨均匀，转移到管式炉中，在流动氮气保护下于180 ℃热处理10小时，冷却后经3 mol/L 盐酸、1 %氢氟酸和去离子水洗涤、离心和真空干燥后得到纳米硅。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液相法制备纳米硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）：将HSiCl3和有机胺溶于有机溶剂中，在室温下搅拌6~18小时，得溶液；步骤（2）：将步骤（1）中制得溶液离心、干燥得到固体；步骤（3）：将步骤（2）中制得的固体洗涤，经离心、干燥得到硅氯团簇；步骤（4）：将步骤（3）中制得的硅氯团簇与镁粉和金属盐研磨均匀，转移到管式炉中，在惰性气体保护下于180~500℃进行热处理10~48小时，冷却后经洗涤、离心、干燥后得到所述的纳米硅。2.根据权利要求1所述液相法制备纳米硅的方法，其特征在于：步骤（1）所述有机胺是三乙胺、三丙胺、乙二胺中的一种。3.根据权利要求1所述液相法制备纳米硅的方法，其特征在于：步骤（1）所述有机溶剂是苯、甲苯、二氯甲烷、氯仿、乙腈中的一种。4.根据权利要求1所述液相法制备纳米硅的方法，其特征在于：步骤（4）所述金属盐为无水氯化铝、无水氯化锌或无水氯化...

【专利技术属性】
技术研发人员：原长洲，韩广瑞，刘浪，侯林瑞，梁龙伟，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：