一种纳米硅@SiOx/MXene复合负极材料及其制备方法

本发明涉及硅切割废料回收利用，尤其涉及一种纳米硅@siox/mxene复合负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、目前，硅基光伏技术的进步显著降低了发电成本，使得大规模应用太阳能成为可能。然而，太阳能发电的间歇性和波动性严重限制了其进一步发展。因此，光伏发电与先进储能的集成被认为是未来能源需求的终极解决方案。全球光伏发电量以每年超过35％的速度增长，导致硅片消耗量稳步增加。在光伏行业中，硅片是通过太阳能级硅锭的金刚石线切片生产的，生产过程中约35％的sog-si被切割成硅切割废料。目前，我国硅切割废料的年产量已超过40万吨，有效回收硅切割废料正面临巨大挑战。

2、回收硅切割废料最常见的策略是将其直接用作高纯硅原料，但最近的研究认识到硅切割废料的熔化和杂质去除存在困难，这是由于天然的超细粒径增强的非晶态氧化硅层。硅材料具有较高的理论比容量(4200mah·g-1)、放电电位相对较低(对锂/锂+的放电电位<0.5v)和丰富的地球储量等优点，已成为锂离子电池(lib)最具吸引力的负极材料之一，这为硅切割废料的回收提供了另一条增值途径。然而，过去的研究主要集中在传统的松散磨料浆锯切废硅上，而对使用当前的金刚石线切片硅废料的研究相对较少。

3、随着对高能量密度储能的需求不断增加，硅是最有潜力的锂离子电池负极材料之一。然而，硅基负极面临的主要挑战是其巨大的体积膨胀(约300％)，导致硅颗粒裂变或变成粉末，在锂化/脱锂过程中导致活性材料与导电体之间失去接触。此外，固体电解质界面(sei)层的反复生成和增厚以及硅的低电导率导致了快速的容量损失、低初始库仑效率(ice)和较差的电化学性能，这已成为硅基负极的主要制约因素。因此，研究一种纳米硅@siox/mxene复合负极材料及其制备方法，以提高硅基负极的初始库伦效率和电化学性能具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米硅@siox/mxene复合负极材料及其制备方法，以解决现有技术中硅基负极体积膨胀严重、初始库伦效率低和电化学性能较差的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将硅切割废料进行氧化处理，得到纳米硅@siox；

5、(2)将纳米硅@siox和ph缓冲溶液混合，得到带负电的纳米硅@siox；

6、(3)将前驱体max刻蚀得到mxene，mxene和阳离子表面活性剂溶液混合，得到带正电的mxene；

7、(4)将带负电的纳米硅@siox、带正电的mxene和ph缓冲溶液混合，得到纳米硅@siox/mxene复合负极材料。

8、作为优选，所述步骤(1)中，氧化处理在氧化气氛中进行；所述氧化处理的温度为100～1500℃，氧化处理的时间为0.1～48h。

9、作为优选，所述步骤(2)中，纳米硅@siox和ph缓冲溶液的质量体积比为1～5g：100～1000ml。

10、作为优选，所述步骤(2)中，混合的时间为0.1～48h。

11、作为优选，所述ph缓冲溶液独立地包含磷酸盐缓冲液、甘氨酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液、巴比妥钠-盐酸缓冲液和tris-盐酸缓冲液中的一种或几种；所述ph缓冲溶液的ph值独立地为6.6～7.4；所述ph缓冲溶液的浓度独立地为0.05～30mol/l。

12、作为优选，所述前驱体max包含ti3alc2、ti2alc、ta4alc3、tinbalc、(v0.5cr0.5)3alc2、v2alc、nb2alc、nb4alc3、ti3alcn、ti3sic2、ti2sic、ta4sic3、tinbsic、(v0.5cr0.5)3sic2、v2sic、nb2sic、nb4sic3和ti3sicn中的一种或几种。

13、作为优选，所述阳离子表面活性剂溶液的溶质包含四甲基醋酸铵、四乙基溴化铵、四丁基氟化铵和四甲基氯化铵中的一种或几种，溶剂包含水、无水乙醇、丙酮、甲醇、甲苯、丁酮和乙酸乙酯中的一种或几种；所述阳离子表面活性剂溶液的质量百分比浓度为0.01～90％。

14、作为优选，所述步骤(3)中，前驱体max和阳离子表面活性剂溶液的质量体积比为1g：100～300ml；所述混合的时间为0.1～48h。

15、作为优选，所述步骤(4)中，带负电的纳米硅@siox和带正电的mxene的质量比为1～4：0.5～1；所述带负电的纳米硅@siox和带正电的mxene的总质量与ph缓冲溶液的体积之比为1.5～5g：100～1000ml；所述混合的时间为0.1～48h。

16、本发明提供一种上述所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法制得的纳米硅@siox/mxene复合负极材料。

17、本发明的有益效果：

18、(1)本发明制备纳米硅@siox/mxene复合负极材料的方法，操作简单，易于放大生产，不仅能够有效解决光伏产业硅切割废料回收难的问题，还能制备高性能硅基负极材料。

19、(2)本发明通过表面改性技术将mxene的表面带上正电基团，并利用表面氧化处理将硅切割废料表面附着一层均匀的氧化亚硅缓冲层，氧化亚硅在不同ph值下zeta电位不同(sio2的等电位点为ph＝2.99，在ph>2.99时zeta电位为负，呈电负性)，利用阴阳电荷相互吸引实现静电自吸附将纳米硅@siox插入到片状mxene中，有效嵌入在mxene结构中的纳米硅@siox不仅增加了硅基材料的导电性，而且可以有效缓解si充放电过程中体积膨胀的问题。

20、(3)本发明通过表面改性技术将硅切割废料制备成具有纳米结构的新型硅基负极材料，能够有效克服锂离子电池充放电过程中硅材料体积膨胀和电导率差的问题，显著提高了硅基负极材料的电化学性能。

技术特征：

1.一种纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，氧化处理在氧化气氛中进行；所述氧化处理的温度为100～1500℃，氧化处理的时间为0.1～48h。

3.根据权利要求2所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，纳米硅@siox和ph缓冲溶液的质量体积比为1～5g：100～1000ml。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，混合的时间为0.1～48h。

5.根据权利要求4所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述ph缓冲溶液独立地包含磷酸盐缓冲液、甘氨酸-盐酸缓冲液、邻苯二甲酸-盐酸缓冲液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、柠檬酸-氢氧化钠-盐酸缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液、磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液、巴比妥钠-盐酸缓冲液和tris-盐酸缓冲液中的一种或几种；所述ph缓冲溶液的ph值独立地为6.6～7.4；所述ph缓冲溶液的浓度独立地为0.05～30mol/l。

6.根据权利要求2或3或5所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体max包含ti3alc2、ti2alc、ta4alc3、tinbalc、(v0.5cr0.5)3alc2、v2alc、nb2alc、nb4alc3、ti3alcn、ti3sic2、ti2sic、ta4sic3、tinbsic、(v0.5cr0.5)3sic2、v2sic、nb2sic、nb4sic3和ti3sicn中的一种或几种。

7.根据权利要求6所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述阳离子表面活性剂溶液的溶质包含四甲基醋酸铵、四乙基溴化铵、四丁基氟化铵和四甲基氯化铵中的一种或几种，溶剂包含水、无水乙醇、丙酮、甲醇、甲苯、丁酮和乙酸乙酯中的一种或几种；所述阳离子表面活性剂溶液的质量百分比浓度为0.01～90％。

8.根据权利要求5或7所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，前驱体max和阳离子表面活性剂溶液的质量体积比为1g：100～300ml；所述混合的时间为0.1～48h。

9.根据权利要求8所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，带负电的纳米硅@siox和带正电的mxene的质量比为1～4：0.5～1；所述带负电的纳米硅@siox和带正电的mxene的总质量与ph缓冲溶液的体积之比为1.5～5g：100～1000ml；所述混合的时间为0.1～48h。

10.权利要求1～9任意一项所述的纳米硅@siox/mxene复合负极材料的制备方法制得的纳米硅@siox/mxene复合负极材料。

技术总结本发明提供了一种纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;/MXene复合负极材料及其制备方法，属于硅切割废料回收利用技术领域。本发明将硅切割废料进行氧化处理，得到纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;；再将纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;和pH缓冲溶液混合，得到带负电的纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;；将前驱体MAX刻蚀得到MXene，MXene和阳离子表面活性剂溶液混合，得到带正电的MXene；最后将带负电的纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;、带正电的MXene和pH缓冲溶液混合，得到纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;/MXene复合负极材料。本发明制备的纳米硅@SiO<subgt;x</subgt;/MXene复合负极材料克服锂离子电池充放电过程中硅材料体积膨胀和电导率差的问题，显著提高了硅基负极材料的电化学性能。技术研发人员：牛研捷,席风硕,马文会,李绍元,陆继军,魏奎先,陈正杰,万小涵,刘昊博受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18