本技术涉及一种镍原位催化硅废料无模版制备硅纳米线的熔盐电化学方法,属于材料制备技术领域。本发明将粘接剂凝胶体与硅废料研磨混匀得到硅废料‑凝胶混合物,硅废料‑凝胶混合物烧结成粘结硅料;粘结硅料与镍催化剂和造孔剂制备出电解前驱体;以电解前驱体为还原阴极,惰性电极为阳极,熔盐电解液添加有过氧化物添加剂,在温度700~900℃下,以高频脉冲电流、低占空比熔盐电解5~25min,然后以中频脉冲电流、中占空比熔盐电解40~120min,再以低频脉冲电流、高占空比熔盐电解80~200min;电解结束后,取出阴极产物,冷却至室温,再依次经超声处理、水洗、浸泡酸洗、烘干得到硅纳米线,硅纳米线生长端团聚包覆形成纳米NiSi<subgt;2</subgt;合金膜,可提升硅纳米线的机械应力。
背景技术
随着新能源汽车与便携式移动设备的快速发展,对储能材料的使用寿命、稳定性以及安全性的需求进一步提升,由于石墨低容量的限制,硅材料因其具有理论容量高(约4200mAhg-1
)、工作电压适中、资源储量丰富、环境友好等优势而被公认为是最具前途的锂电负极材料。然而由于硅负极循环过程巨大的体积变化(约~300%)以及天然的差导电性,却进一步限制了硅基负极的倍率性能。研究表明,纳米尺度的硅粒子可以克服体积的急剧变化而引起的开裂和粉碎。其中硅纳米线作为一维结构可以向纵向和径向扩展,从而避免了二维或三维结构可能会导致的开裂应力,避免了结构失效和固态电解质膜(SEI)的重复形成。此外,硅纳米线还具有良好的导电性、与电解质接触的高界面面积和锂离子传输的短扩散距离,使其得以适用于高倍率应用,因此通过合理的硅纳米线结构设计,有助于进一步改善硅基材料作为锂电负极的电化学性能。
贵金属催化剂具有高催化活性,能够有效地降低反应活化能,同时具有的优异化学和热稳定性,能够在高温、高压和腐蚀性环境中长时间稳定工作。但因其价格昂贵且资源稀缺,极大地限制了其大规模应用。过渡金属镍由于d带电子未填满,形成的d带空穴捕获和交换电子能力较强,表现出了优异的催化性能,且镍价格低廉、资源充足,因而成为替代贵金属催化剂的主要备选材料。纳米颗粒形态金属镍相较于块状或粉状金属镍具有更大的比表面积,可以暴露出更多的反应活性位点,从而更高效地催化反应进行。
在传统制备纳米材料的主流方法中,不论是气相生长法还是液相生长法,均伴随着工艺流程复杂、高污染、生产成本高和高能耗等问题,致使纳米材料很难被大规模高效制备。而近年来新兴起来的熔盐电解法以氧化物为原料通过对电解过程温度、熔盐、槽电压等电化学参数调控进一步电解制备出了不同形貌和结构的纳米材料,不仅缩短了工艺流程,也减少了能源损耗和环境污染。
但目前有关熔盐电解法制备金属催化硅纳米线不仅设备结构单一,即在一定电解温度下通过熔盐体系中插入阴极和阳极直接电解,导致氧离子传输效率缓慢。而且电解前期由于氧离子不足导致在反应速率、材料纯度、形貌、尺寸控制产生不利影响,最终影响整个电解过程。虽然在一定程度上可以通过提高电解电压,增加过电势推动反应动力学,加速氧离子的迁移提高反应速率,但一味地增大电压却会导致副反应的持续发生,例如电解质分解或产生腐蚀性气体等,极大地影响了电解过程的效率、产物质量、设备寿命和整体操作的经济性,不具备大规模生产的要求。
实现思路