[發(fā)明專利]一種動力鋰離子電池負極材料的制備方法

無效

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• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN103022445A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設計）人: 暴寧鐘;何大方;沈麗明;王一峰
• 申請（專利權）人: 南京工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/583
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;袁正英

技術領域：

本發(fā)明涉及動力鋰離子電池負極材料的制備方法，尤其涉及一種動力鋰離子電池負極材料硅-石墨烯復合電極材料及制備方法，屬于高容量、高效率動力鋰離子電池負極材料的制備方法。

背景技術：

隨著石油、煤等能源的日益緊縮，人類社會正面臨著越來越嚴重的能源危機。在使用傳統(tǒng)能源的過程中，所產生的污染已經(jīng)給環(huán)境帶來了巨大的破壞，因此，開發(fā)清潔和可再生能源是影響未來世界經(jīng)濟關鍵技術領域之一。鋰離子電池以其高的能量和功率密度、高工作電壓、長循環(huán)壽命、無記憶效應及無污染等獨特優(yōu)勢，成為純電動車（EV）和混合電動車（HEV）高性能動力電池的首選。目前動力電池負極材料的研究主要集中在碳材料、合金材料、氮化物材料和氧化物材料，但是這些材料的理論容量較低，例如商業(yè)化負極材料-石墨的理論容量僅為372mAh/g，而且，電池本身存在大電流充放電的安全性問題，大大限制其在汽車工業(yè)的廣泛應用。所以探究高容量、高效率、循環(huán)性能好、安全性高和新型環(huán)保的負極材料成為近幾年研究的熱點。

硅基負極材料由于具有很高的理論容量（能夠形成Li4.4Si，理論容量高達4200mAh/g），嵌鋰電位低，電化學可逆容量高，安全性能好，資源豐富等優(yōu)勢，是新一代動力鋰離子電池材料的研究熱點。但是，硅基材料與其他金屬基材料一樣，在鋰離子的脫嵌過程中，伴隨著嚴重的體積效應，導致在充放電過程中活性材料的粉化脫落，容量衰減嚴重，大大降低了電池的效率和循環(huán)性能，而且存在嚴重的安全隱患。

改善金屬基負極材料電化學性能的最有效方法主要是通過活性材料的納米化和活性材料的復合化相結合。活性材料的納米化能顯著減少其在可逆充放電過程中出現(xiàn)的絕對體積變化；活性材料的復合化是通過與其他材料的復合，利用其他材料束縛活性材料在循環(huán)過程中的體積變化。石墨烯因具有特殊結構和性能，已成為國際科學研究的熱點。這種單層碳原子厚度的二維碳材料具有極大的理論比表面積(2600m2/g)和蜂窩狀空穴結構，材料本身的電子遷移率高(15000cm²/(V·s))，化學穩(wěn)定性好以及力學性能優(yōu)異，因而有較高的儲鋰能力，同硅負極材料進行復合，可以有效克服硅負極材料應用過程中的體積效應缺點。因此，硅/石墨烯復合材料有望成為新一代高容量、高效率的動力鋰離子電池負極材料。

發(fā)明內容：

本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術的不足，而提供一種高容量、高效率、循環(huán)性能好、安全性高和新型環(huán)保的動力鋰離子電池負極材料的制備方法。

本發(fā)明的技術方案為：一種動力鋰離子電池負極材料的制備方法，其具體步驟如下：

（1）氧化石墨的制備：

通過改性的Hummer法制備氧化石墨；

（2）氧化石墨烯表面缺陷的制備：

配制質量分數(shù)為0.5-1.5g/L的氧化石墨溶液，將氧化石墨溶液與質量濃度為65-70%的硝酸混合，氧化石墨溶液的體積與硝酸溶液的體積比為1：（3-15）；超聲混合溶液，然后加入去離子水，反復離心洗滌，將體系洗至pH為5-7，冷凍干燥得到帶有納米孔洞的氧化石墨烯固體；

（3）硅-石墨烯薄膜的制備：

預先取一定量的納米硅暴露于空氣中；按硅粉的質量與水的體積比為0.001-0.05g/ml，將硅粉超聲分散在去離子水中，然后按硅的質量與氧化石墨的質量比為0.1-4：1，將硅分散液與濃度為0.01-1g/L的帶有納米孔洞的氧化石墨烯溶液混合，繼續(xù)超聲分散后，然后將混合液真空抽慮到濾膜上面；將上層為硅-氧化石墨烯的濾膜在空氣中自然風干后，從濾膜上面取下來；放置在石英舟中，放置在氣氛保護的管式爐中，保持一定的氣體流速，在400-800℃下，煅燒1-3h，得到鋰離子電池負極材料-硅/石墨烯薄膜。

步驟（1)中氧化石墨的制備優(yōu)選通過改性的Hummer法制備氧化石墨；具體方法參見專利《一種氧化還原制備石墨烯的方法》（申請(專利)號:CN201110372309.X）。通過XRD、Raman和FT-IR表征，制備的氧化石墨氧化程度高，在水溶液中分散性好。

優(yōu)選步驟（2）和步驟（3）中所述的超聲的頻率均為40-80Hz。優(yōu)選步驟（2）中所述的超聲的時間為30-120min；步驟（2）中所述的離心速度為1000-20000rpm。

優(yōu)選步驟（3）中納米硅粒徑尺寸在20-50nm，納米硅暴露于空氣中時間為12-24h。優(yōu)選步驟（3）中所述的硅粉超聲分散在去離子水中的超聲的時間為5-60min；將硅分散液與帶有納米孔洞的氧化石墨烯溶液混合，繼續(xù)超聲分散的時間為1-2h。