CN105384175A - 一种工业废硅的纯化方法 - Google Patents

Abstract

一种工业废硅的纯化方法。光伏产业硅片切割过程中会生成具有良好电化学反应活性的高纯硅粉末废料。本发明采用电化学氧化法，除去工业废在硅表面附着的有机化合物杂质，然后再用电化学还原法，除去表面的其他氧化物，从而得到纯化的高纯度硅粉末。得到的粒径小，比表面大，纯度高的硅粉末可用做锂离子电池负极材料，从而提高废硅的利用率和电池的比能量。

Description

一种工业废硅的纯化方法

技术领域

本发明为一种硅的纯化方法，涉及新能源材料和电化学。

背景技术

随着科技的发展，以锂离子电池为代表的新型化学电源在手机、笔记本电脑等便携式电子设备领域中得到了广泛的应用。如今，更是成为了电动车，电动汽车所用的动力***的研究重点和热点。商业化的石墨负极的理论容量只有372mAh/g，探寻安全性高、比能量高的锂离子电池负极材料也成为了解决电池技术现存问题的关键。

光伏产业硅切割产生的废料中，高纯硅的含量高达30%-40%，将该部分的硅材料回收可以大大节约产业成本。此外，该类硅粉本身纯度高，比表面大，粒径小至微米级，还具有良好的化学反应活性，更重要的是，硅和锂能形成Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Li₇Si₃、Li₁₅Si₄、Li₂₂Si₅等合金，比容量可高达4200mAh/g，是商业化石墨的11.29倍，脱嵌锂电压低（低于0.5VvsLi/Li⁺），与电解液反应活性低，是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。锂离子电池的应用广泛，对负极材料的需求量也会大增，因而需要大量的硅材料，除了对硅材料进行开采外，对硅的回收利用也将成为降低成本，提高原料利用率的重要途径之一。然而，国内目前尚无将太阳能光伏产业中的废硅应用于锂离子电池的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供了一种工业废硅的纯化方法，纯化过的硅可应用于锂离子电池负极，可提高锂离子电池的比能量，同时有利于同时降低太阳能光伏产业和锂离子电池的生产成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

一种工业废硅的纯化方法，包括如下步骤：

1）采用电化学氧化法，去除工业废硅表面附着的有机化学物，主要为聚乙二醇和聚丙醇等；在电化学氧化法中，以石墨棒或铂片作为阳极，以铅板作为阴极，以水作为电解质，将工业废硅粉末加入到水中，利用羟基自由基（·OH）将有机基团分解为CO₂和H₂O，同时在阳极表面及其附近发生水分解反应：2H₂O-4e^-→4H⁺+O₂↑；反应时间为0.5h～5h。

2）将经氧化处理后的含硅粉末滤出，与粘结剂混合均匀，在5～20MPa压力下压制成直径2～50mm，厚0.2～2mm左右的电极片，再在300～800℃下烧结2～6h，制成片状含硅材料；

3）采用电化学还原法去除片状含硅材料中的氧化物，主要为SiO₂以及其他可能存在的金属氧化物，如氧化铁等；在电化学还原法中，以碳棒作为阳极，以铁棒或钼丝作为阴极，以熔融态CaCl₂作为电解质，由于还原法是在熔融态中进行的，反应完成后难以将粉末状的含硅材料进行收集，因此需要将含硅材料制成片状，将烧结后的片状含硅材料钻孔后穿到钼丝或铁棒上制成接触电极后可进行反应；在600～1000℃，-1.0～-1.25V条件下在熔融态CaCl₂中电解0.5～5h，然后从电解池中取出硅片，研磨粉碎，所得粉末即为纯化后的硅粉末。

更具体地，采用上述方法纯化的硅主要用于锂离子电池负极。

本发明的优点和有益效果在于：

1）将太阳能光伏产业中的废硅材料进行提纯重复利用，有利于降低光伏产业和锂离子电池产业的生产成本；

2）本方法步骤简单，操作方便，提纯速度快，能有效地对废硅材料进行回收利用，达到了节能环保的目的。

附图说明

图1为采用本发明中的纯化方法对工业废硅粉末处理前和处理后的XRD图；

图2为工业废硅粉末纯化后的扫面电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：

一种工业废硅的纯化方法，包括如下步骤：

1）采用电化学氧化法，去除工业废硅表面的聚乙二醇和聚丙醇；在电化学氧化法中，以石墨棒作为阳极，以铅板作为阴极，以水作为电解质，将工业废硅粉末加入到水中反应3h，聚乙二醇可被完全分解为CO₂和H₂O；

2）将经氧化处理后的含硅粉末滤出，与粘结剂混合均与，在10MPa压力下压制成直径10mm，厚2mm左右的电极片，再在700℃下烧结4h，制成片状含硅材料；

3）采用电化学还原法去除片状含硅材料中的SiO₂；在电化学还原法中，以碳棒作为阳极，以钼丝作为阴极，以熔融态CaCl₂作为电解质，将烧结后的片状含硅材料钻孔后穿到钼丝上制成接触电极***到电解质中；在900℃，-1.20V条件下电解3h，含硅材料中的SiO₂即被还原为硅，然后从电解池中取出硅片，研磨粉碎，所得粉末即为纯化后的硅粉末。

如图1所示，为通过以上方法纯化后的硅与纯化前的废硅的XRD对比图；图2为纯化后的硅粉末的电镜扫描图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种工业废硅的纯化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用电化学氧化法，去除工业废硅表面附着的的有机化学物，所述的电化学氧化法中，以石墨棒或铂片作为阳极，以铅板作为阴极，以水作为电解液，将所述的工业废硅粉末加入到所述的水中反应0.5h～5h；

2）将经氧化处理后的含硅粉末滤出，与粘结剂混合均匀，在5～20MPa压力下压制成直径2～50mm，厚0.2～2mm左右的电极片，再在300～800℃下烧结2～6h，制成片状含硅材料；

3）采用电化学还原法去除所述的片状含硅材料中的氧化物，所述的电化学还原法中，以碳棒作为阳极，以铁棒或钼丝作为阴极，以熔融态CaCl₂作为电解质，将所述的片状含硅材料钻孔后，穿到所述的铁棒或钼丝上制成接触电极，在600～1000℃，-1.0～-1.25V条件下在所述的熔融态CaCl₂中电解0.5～5h后，取出硅片，研磨粉碎，所得粉末即为纯化后的硅粉末。

2.根据权利要求1中所述的工业废硅的纯化方法，其特征在于，所述的有机化合物为聚乙二醇和聚丙醇，所述的氧化物为硅表面的SiO₂和金属氧化物。

3.根据权利要求2中所述的工业废硅的纯化方法，其特征在于，所述的纯化的硅应用于锂离子电池的负极。