提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法

摘要

本发明提供了一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法，所述材料使用光伏硅泥为原料，通过粒度优化处理得到二维片层/类球形颗粒纳米硅，然后与小颗粒石墨复合制备得到。其中材料内部为多孔结构，孔来源为洗涤去除硅泥中含有的金属/盐类杂质得到和材料制备过程产生的交联网络结构。孔结构为锂离子传输提供通道，石墨烯和热解碳形成的导电层提升电子迁移率。石墨及多孔结构为硅膨胀提供缓冲，提升材料循环稳定性，外部包覆碳层抑制硅与电解液接触稳定表面SEI膜。本发明思路与工艺新颖，得到的硅碳材料首效高、电化学稳定性优异，具有很好的产业化应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法。

背景技术

新能源行业在未来将持续高速发展，为动力电池发展提供了重大机遇，同时也提出了更高的要求。《促进汽车动力电池发展行动方案（2017）》明确提出，2020年锂离子动力电池单体能量密度要超过300 Wh/kg，2025年后达到400 Wh/kg的要求。

负极材料对提升电池能量密度至关重要，石墨负极理论容量低，已不能满足日益增长的能量密度的要求。硅材料脱嵌锂容量高、电位适宜、安全性好等优势，有望成为下一代负极材料的首选，市场前景广阔。硅在充放电过程中的体积膨胀是影响其应用的关键。研究表明。负极材料中Si的粒径不能超过150nm，颗粒尺寸过大会造成电极破裂与材料粉化、脱落。目前纳米硅的主要制备方法有气相沉积法、物理气相沉积法和镁热还原法等，制备成本较高，每公斤纳米硅价格高达2000元以上，因此亟需开发成本低廉的纳米硅。

近年来，光伏产业发展迅速，2018年全球多晶硅产量达到43万吨，我国产量占比超过50%。在硅片加工过程中，高纯硅晶体约有40%的损耗而成为硅泥，我国每年产生硅泥超过10万吨，造成资源浪费与环境污染。将硅泥提纯并制备纳米硅，既能实现资源的高值化利用，又能大大降低负极材料硅碳的制备成本。

中国专利CN110474032A公开了一种基于光伏废硅的硅碳负极材料及其制备方法，制备材料为类球形复合材料，先将干燥后的硅粉高速球磨得到纳米硅溶液，然后加入碳源、导电剂和分散剂后砂磨混合均匀，喷雾干燥并煅烧得到。有机物热解形成无定型碳层包覆在片状纳米硅表层，内部由包覆纳米硅与导电剂构成。其中片状纳米硅是经过粉碎、干燥后高温除杂并高速球磨得到。该方法操作过程复杂，硅源纯化过程使用盐酸与氢氟酸配合清洗并高温碳化处理，氢氟酸的使用造成环境污染，烧结过程造成成本升高。

中国专利CN107732200A公开了一种利用光伏产业废料制备锂离子电池负极材料的方法，将光伏废料经过焙烧、球磨并酸洗、碱洗得到硅粉，将硅粉与分散剂混合，在离子液体引发剂的作用下，通过硅表面羟基与外层导电聚合物见产生氢键作用而紧密联系在一起，形成外部具有缓冲层与导电层改性的复合材料。但是所用的硅粉粒度较大，粒度为300~500nm，同时制备的硅碳材料结构较松散。较大的纳米硅尺寸在充放电过程中不利于结构的稳定，同时松散硅碳结构也会造成循环性能较差。

发明内容

本发明提出了一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料及制备方法，所述硅碳材料具有三维多孔结构，内部既有使用氧化石墨烯和有机物碳源通过耦合与氢键作用诱导形成的交联多孔网络，还有光伏硅泥中金属/盐类杂质通过酸洗过程产生的微孔结构，多孔结构为锂的快速传输提供通道，同时为硅的膨胀提供缓冲。材料外部通过高温动态包覆工艺形成均匀保护碳层，促进表面稳定SEI膜的形成，提升材料循环稳定性。该制备方法制备的硅碳负极材料具有高首效与循环稳定性，多孔与导电网络结构保证材料的大电流充放电能力，适用于动力电池，具有广阔的市场应用前景。

实现本发明的技术方案是：

一种提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料，所述材料具有三维网络结构，包括二维片层/类球形颗粒纳米硅（D50：200nm）和有机碳源；所述三维网络结构由三个过程形成：有机碳源通过静电/氢键形成多孔交联结构，喷雾干燥过程在内部由纳米硅、石墨和石墨烯形成的交联复合结构，最后经过多次酸洗去除杂质形成多孔结构。

所述的提纯光伏硅泥制备的三维多孔硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将光伏硅泥放入真空烘箱中烘干得到硅泥原料A；

（2）将硅泥原料A分散于200mL溶剂中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加修饰剂溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨2~4h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备固含量为40%的石墨分散液D；制备固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；D和E溶剂均为乙醇；

（5）向浆料C中添加石墨分散液D和氧化石墨烯分散液E，加入交联剂，超声分散均匀并搅拌4~8h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理、烧结，自然降温，粉碎过200目筛；洗涤后真空干燥得到硅碳材料终产物G。

所述步骤（1）中光伏硅泥为多晶硅泥、单晶硅泥中的一种或者两种混合，含有硅晶碎屑、切削油、树脂、金属杂质及研磨剂，其中硅泥原料的粒度为0.8~2um；光伏硅泥在120℃条件下烘干6~8h。

所述步骤（2）中修饰剂为植酸、聚丙烯酸、酚醛树脂或壳聚糖中的一种，浓度为30%-50%，其中修饰剂占硅泥原料A质量的10~30%。

所述步骤（4）中石墨为石墨制备过程产生的碎颗粒，粒度为2~5μm，其中石墨与硅泥原料A的质量比为（0.5-2）:1。

所述步骤（1）~（4）所述的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、氮，氮二甲基甲酰胺、四氢呋喃或氮甲基吡咯烷酮中的一种。

所述步骤（5）中交联剂为聚丙烯酰胺、多巴胺、聚多巴胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸、氨基硅烷偶联剂或氨基聚醚有机硅中的2种复合，其中两者之间的质量比为（0.25-4）:1，两种交联剂总质量占硅泥原料A与石墨总质量的比值为6~24%，其中氧化石墨烯占硅泥原料A与石墨的的总质量的比值为0.5~2%。

所述步骤（6）中喷雾干燥喷雾压力0.2MPa，进口温度设为140~200℃，出口温度90~110℃，进料速率3~12 rad/min；烧结工艺为：常温升至200~300℃，升温速率2~5℃/min，保温1~2h；升温至700~1000℃，升温速率5~20℃/min，保温2~4h，自然降温；利用0.5M的HCl溶液搅拌洗涤产物3~5次，并用去离子水洗涤3次。

优选地，所述硅碳材料不仅包括权利要求2中制备的硅碳材料，还包括对该硅碳材料烧结前的前驱体进行改性与优化所得到的的改性硅碳材料。结构修饰方法包括结构优化与表面修饰，其中结构优化通过添加碳源在高温包覆机中混合并动态碳化处理筛分得到，其中碳源含量与硅泥原料A与石墨总质量的比值为10~35%。

具体步骤如下：

（a）将权利要求2步骤（5）喷雾干燥后得到的粉体与碳源在球磨机中混合均匀，混合时间1~3h，转速150~250 rad/min，得到混合物H；

（b）将上述混合样品转入高温包覆机中进行碳化处理，氮气保护条件下，转速设备100~200 rad/min，按照升温速率5~10℃/min，升温至200~400℃，保温2~4h，按照升温速率2~5℃/min，升温至800~1000℃，保温2~5h，自然降至室温，粉碎并过200目筛；

（c）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物3~5次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料终产物I。

所述碳源为蔗糖、壳聚糖、柠檬酸、明胶、纤维素、聚苯胺、石油沥青、乳化沥青或煤沥青中的一种或两种。

本发明的有益效果是：本发明所述材料是资源化利用光伏硅泥制得，通过创新思路，对硅泥原料进行简单前处理后制备硅碳，然后在硅碳制备完成后使用一步除杂过程，既去除了里面的金属和盐等杂质，也能够在材料内部产生一定的微孔结构，具有一定创新性，同时该工艺也避免了对纳米硅制备过程的碳化除杂过程，大大缩短了纳米硅回用流程。所述材料内部具有导电剂和无定形碳形成的三维交联网络和多微孔结构，提供锂传输通道和硅体积缓冲空间，外部通过动态高温包覆工艺构筑均匀的无定型保护层，保证材料表面形成稳定的SEI膜。制备的硅碳负极在具有首效高、稳定性和倍率性能好的优势，适用于锂电池负极，同时能够有效资源化利用光伏废硅泥，变废为宝，实现资源绿色化回用，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1得到的硅碳负极材料在10.0k放大倍率下的扫描电镜图。

图2是实施例1中得到的硅碳负极材料在不同充放电倍率下的曲线图。

图3是实施例8中得到的硅碳负极材料在10.0k放大倍率下的扫描电镜图。

图4是实施例8中得到的硅碳负极材料的循环稳定性曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中，采用Hitachi S-3400N扫描电子显微镜测定所制备样品的微观形貌。电池性能测试采用武汉市蓝电电子股份有限公司生产的型号为LANHE CT2001A的电池测试系统。

将本发明制备的硅碳材料、导电剂和粘结剂按照8:1:1的质量比调浆，均匀均匀涂布在铜箔并干燥制得到极片，其中粘结剂组分CMC、SBR和PAA的质量比为1:1:1。使用浓度为1.0 mol L

实施例1

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干8h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL乙醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加1g酚醛树脂溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨2h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备12.5g固含量为40%的石墨分散液D；制备0.5g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入0.6g聚丙烯酰胺和0.6g聚多巴胺，超声分散均匀并搅拌4，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为140℃，出口温度100℃，进料速率3 rad/min；

（7）烧结：常温升至300℃，升温速率5℃/min，保温1h；升温至800℃，升温速率5℃/min，保温2h，自然降温，粉碎过200目筛；

（8）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物5次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1407.7 mAh/g，首效86.2%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例2

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干2h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL异丙醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加1g聚丙烯酸溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨2h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备6.25g固含量为40%的石墨分散液D；制备0.35g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入0.5g聚乙烯醇和0.5g多巴胺，超声分散均匀并搅拌4h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为150℃，出口温度90℃，进料速率3 rad/min；

（7）烧结：常温升至200℃，升温速率2℃/min，保温1.5h；升温至700℃，升温速率10℃/min，保温3h，自然降温，粉碎过200目筛。

（8）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物3次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1668.7mAh/g，首效84.3%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例3

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干7h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL氮，氮二甲基甲酰胺中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加2g植酸溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨4h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备6.25g固含量为40%的石墨分散液D；制备0.35g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入0.5g聚丙烯酸和1g氨基硅烷偶联剂，超声分散均匀并搅拌4h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为180℃，出口温度110℃，进料速率12 rad/min；

（7）将喷雾干燥后得到的粉体与1.5g石油沥青在球磨机中混合均匀，混合时间1h，转速150 rad/min，得到混合物H；

（8）将混合物H转入高温包覆机中进行碳化处理，氮气保护条件下，转速设备100 rad/min，升温速率5℃/min，升温至200℃，保温2h，升温速率2℃/min，升温至800℃，保温2h，自然降至室温，粉碎并过200目筛；

（9）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物3次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1581.3 mAh/g，首效87.5%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例4

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干8h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL甲醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加0.3g酚醛树脂溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨3h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备12.5g固含量为40%的石墨分散液D；制备1g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入1g多巴胺和1g聚丙烯酸，超声分散均匀并搅拌8h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为180℃，出口温度100℃，进料速率5 rad/min；

（7）烧结：常温升至200℃，升温速率5℃/min，保温2h；升温至900℃，升温速率20℃/min，保温2h，自然降温，粉碎过200目筛。

（8）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物5次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1375.3 mAh/g，首效85.1%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例5

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干6h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL乙二醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加1g壳聚糖溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨4h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备12.5g固含量为40%的石墨分散液D；制备1g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入2g氨基硅烷偶联剂和1g多巴胺，超声分散均匀并搅拌5h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为170℃，出口温度90℃，进料速率12 rad/min；

（7）将喷雾干燥后得到的粉体与6g乳化沥青在球磨机中混合均匀，混合时间1h，转速150 rad/min，得到混合物H；

（8）将混合物H转入高温包覆机中进行碳化处理，氮气保护条件下，转速设备200 rad/min，升温速率5℃/min，升温至400℃，保温3h，升温速率5℃/min，升温至1000℃，保温5h，自然降至室温，粉碎并过200目筛；

（9）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物5次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到943.7 mAh/g，首效87.0%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例6

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干6h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL四氢呋喃中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加1.5g酚醛树脂溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨4h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备6.25g固含量为40%的石墨分散液D；制备0.75g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入0.25g多巴胺和1g聚丙烯酰胺，超声分散均匀并搅拌5h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为140℃，出口温度90℃，进料速率3 rad/min；

（7）将喷雾干燥后得到的粉体与1.25g明胶在球磨机中混合均匀，混合时间3h，转速250rad/min，得到混合物H；

（8）将混合物H转入高温包覆机中进行碳化处理，氮气保护条件下，转速设备150 rad/min，升温速率10℃/min，升温至300℃，保温3h，升温速率3℃/min，升温至900℃，保温3h，自然降至室温，粉碎并过200目筛；

（9）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物3次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1657.4 mAh/g，首效86.9%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例7

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干8h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL乙醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加3g植酸溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨3h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备12.5g固含量为40%的石墨分散液D；制备1g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入1g聚丙烯酰胺和1g多巴胺，超声分散均匀并搅拌5h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为200℃，出口温度110℃，进料速率10 rad/min；

（7）烧结：常温升至300℃，升温速率5℃/min，保温2h；升温至1000℃，升温速率20℃/min，保温4h，自然降温，粉碎过200目筛。

（8）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物3次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料终产物G。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1354.3 mAh/g，首效83.2%，具有良好的循环和倍率性能。

实施例8

本实施例中锂电池用高稳定性硅碳负极材料制备方法如下：

（1）将10g光伏硅泥放入真空烘箱中，在120℃条件下烘干7h，去除其中的有机溶剂成分，得到硅泥原料A；

（2）将原料A分散于200mL异丙醇中，超声分散并搅拌均匀，逐滴滴加3g植酸溶液，得到分散液B；

（3）将分散液B在氮气保护下砂磨4h，砂磨珠粒径0.3mm，得到浆料C；

（4）制备25g固含量为40%的石墨分散液D；制备0.75g固含量为10%的氧化石墨烯分散液E；

（5）向浆料C中添加分散液D、分散液E，加入1.5g聚乙烯醇和0.5g聚多巴胺，超声分散均匀并搅拌8h，得到浆料F；

（6）浆料F喷雾干燥处理，喷雾压力0.2MPa，进口温度设为180℃，出口温度110℃，进料速率3 rad/min；

（7）将喷雾干燥后得到的粉体与5g蔗糖在球磨机中混合均匀，混合时间3h，转速250rad/min，得到混合物H；

（8）将混合物H转入高温包覆机中进行碳化处理，氮气保护条件下，转速设备100 rad/min，升温速率10℃/min，升温至300℃，保温2h，升温速率2℃/min，升温至800℃，保温2h，自然降至室温，粉碎并过200目筛；

（9）洗涤：配置0.5M的HCl溶液，搅拌洗涤上述产物5次，并用去离子水洗涤3次，真空干燥得到硅碳材料。

将得到的硅碳材料制备成浆料，涂片并组装成锂离子半电池，在100 mA/g电流密度下测试，首次充电比容量达到1033.3 mAh/g，首效81.5%，具有良好的循环和倍率性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。