锂离子电池多孔硅负极材料制备及工艺优化

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0387

摘要/Abstract

摘要：

为了有效改善硅基负极材料的性能及降低制备成本，以微米级单质硅为原料，通过金属辅助化学刻蚀法制备多孔硅负极材料，该方法步骤简单可控、成本低廉，易于大规模生产。采用场发射扫描电镜和电池测试系统，对比分析不同工艺参数下制得的硅负极材料的形貌和性能差异，从而进行工艺优化，并得出较优的工艺参数：AgNO₃浓度约为0.015 mol/L、伽伐尼反应时间选择1~4 min、刻蚀剂中C_HF/(C_H₂O₂+C_HF)为70%~90%。在合适的工艺参数下制备的多孔硅负极材料电化学性能明显优于硅负极材料，在0.5C倍率下循环50次后容量仍有1 130.7 mA·h/g，在2C、5C的倍率下仍有929、669 mA·h/g的较高比容量。该方法得到的多孔硅负极材料能够有效缓解单质硅负极材料体积膨胀严重和导电性差的问题，从而有效提高其电化学性能。

关键词: 锂离子电池, 负极材料, 多孔硅, 金属辅助化学刻蚀

Abstract:

In order to improve the performance of silicon-based anode materials and reduce the preparation cost，porous silicon anode materials were prepared by metal-assisted chemical etching method using micron-grade silicon as raw material.The method showed the advantages of simple and controllable steps，low cost and easy large-scale generation.By means of field emission scanning electron microscopy and battery testing system，the morphology and properties of silicon anode materials prepared under different process parameters were compared and analyzed，so as to optimize the process.The results showed that the optimum technological parameters were as follows：AgNO₃ concentration was about 0.015 mol/L，reaction time of Galvani was 1~4 min，the C_HF/(C_H₂O₂+C_HF) in etching agent was 70%~90%.The electrochemical performance of porous silicon anode material prepared under suitable process parameters was obviously superior to that of silicon anode material.After 50 cycles at 0.5C，the capacity of porous silicon anode material was still 1 130.7 mA·h/g.Under 2C and 5C rate tests，there were still high specific capacities of 929 and 669 mA·h/g，respectively.The results showed that porous silicon anode materials could effectively alleviate the bulk expansion and poor conductivity of the monomeric silicon anode materials，thus effectively improving its electrochemical properties.

Key words: lithium-ion battery, anode material, porous silicon, metal-assisted chemical etching

中图分类号:

TM912

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图/表 15

图1

图2

图3

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表1

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图9

图10

图11

表2

不同H2O2与HF的浓度比下样品的实验参数

样品编号	m（Si）/g	伽伐尼反应/（10² mL）	金属辅助化学刻蚀/（10² mL）	$[C H F /$ $(C H 2 O 2 + C H F)$ ］/%
H	1	0.015 mol/L AgNO₃ +2 mol/L HF	0.35 mol/L H₂O₂+0.15 mol/L HF	30
I	1	0.015 mol/L AgNO₃ +2 mol/L HF	0.15 mol/L H₂O₂+0.15 mol/L HF	50
J	1	0.015 mol/L AgNO₃ +2 mol/L HF	0.064 mol/L H₂O₂+0.15 mol/L HF	70
K	1	0.015 mol/L AgNO₃ +2 mol/L HF	0.017 mol/L H₂O₂+0.15 mol/L HF	90

表2

图12

图13

参考文献 16

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