硅基材料作为锂离子电池负极材料时,因具有极高的理论嵌锂容量(Li22Si5,4200 mAh/g)和较低的电压平台(<0.5V vs Li/Li+)受到各界的广泛关注。然而,由于其在锂离子的脱嵌过程中存在严重的体积效应,使硅负极极片上的活性材料发生粉化而从集流体上脱落,导致电池的电化学性能持续恶化。另一方面,硅作为一种半导体材料,其导电能力较差的特性也严重制约着其在锂电领域的发展。本文以回收的工业光伏硅粉为研究对象,将工业光伏硅粉用HCl和HF按一定比例的混合酸性液体洗去里面的铁、铜等金属杂质以及硅粉表面不规整的氧化层,从而制备获得成本低廉且结晶度良好的实验硅粉原材料,再通过对原材料硅粉进行三方面改性研究,以改善硅基材料在作为锂离子电池时的电化学性能。具体内容如下:(1)将酸洗后的硅粉材料在150 mL/min的氮气流量下进行800℃热处理。硅粉材料和残余氧之间进行有限的氧化反应,在硅粉表面上生成一层2-5 nm左右的SiOx薄层,这可以有效地抑制锂离子脱嵌过程的体积膨胀,得益于热处理后硅粉材料的良好的表面形态,硅材料的电化学性能大大提高。10次循环后(0.02C的电流密度下活化一圈后再进行0.1C循环,1C=4200 mAh/g),热处理过硅的可逆充电比容量高达2351.6mAh/g,而原始硅材料仅剩827.6 mAh/g。此外,电池首次库仑效率也从热包覆处理前的63.1%提高到87.9%。(2)氧化层包覆改性虽然在一定程度上解决了硅材料体积膨胀问题,其本征电导率却依旧得不到改善。因此,我们在本章节以H3PO4为原料,通过高温煅烧的方式往硅粉材料掺入P元素,P元素的掺入,大大提高了原硅材料的导电性,并且通过详细研究得出了 H3PO4的最佳掺入比例。结果显示,在掺入比例为0.5%的时候,电池材料在10个循环后依旧保持最高的可逆充电比容量,在10个循环后(0.02C的电流密度下活化一圈后再进行0.1C循环,1C=4200 mAh/g)其充电比容量依旧保持在1313.2 mAh/g,比没经过处理的原始硅材料提升了485.6 mAh/g。值得一提的是,在掺杂比例为0.7%时,材料的首次库伦效率最高,达到81.4%。(3)以LiPF6为反应添加剂,在与硅粉原料混合后800℃煅烧得到最终产物。其目的在于对硅材料进行P元素掺杂的同时,在材料表面包覆一层LiF。而LiF的包覆有助于形成稳定的固体电解质界面膜(SEI膜),减少充放电过程副反应,且具有熔融盐性质的LiF的存在还可改善硅粉的团聚现象。实验结果显示,加入0.5%的LiPF6时,所得硅基材料的电化学性能得到极大地提升,电池首次库伦效率从最初的63.1%增加到69.9%,并且在10个循环后(0.02C的电流密度下活化一圈后再进行0.1C循环,1C=4200mAh/g)依旧维持着2183.1 mAh/g的充电比容量,比没经过处理的原始硅材料提升了 1355.5 mAh/g。