[發明專利]一種用于鋰電池的硅/氧化石墨烯負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201510323358.2
• 申請日: 2015-06-13
• 公開（公告）號: CN104916823A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: 田東
• 申請（專利權）人: 田東
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/139;H01M10/058;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種用于鋰離子電池的硅/氧化石墨烯負極材料及其制備方法，屬于鋰離子電池領域。

背景技術

自從1990年日本索尼公司率先研制成功鋰離子電池并將其商品化以來，鋰離子電池得到了迅猛發展。如今鋰離子電池已經廣泛地應用于民用及軍用的各個領域。隨著科技的不斷進步，人們對電池的性能提出了更多更高的要求：電子設備的小型化和個性化發展，需要電池具有更小的體積和更高的比能量輸出；航空航天能源要求電池具有循環壽命，更好的低溫充放電性能和更高的安全性能；電動汽車需要大容量、低成本、高穩定性和安全性能的電池。

鋰離子電池的負極材料有碳材料、金屬間化合物、硅基化合物等。目前商業化鋰離子電池負極材料采用的是石墨類碳材料，具有較低的鋰嵌入/脫嵌電位、合適的可逆容量且資源豐富、價格低廉等優點，是比較理想的鋰離子電池負極材料。但其理論比容量只有372mAh/g，因而限制了鋰離子電池比能量的進一步提高，不能滿足日益發展的高能量便攜式移動電源的需求。在各種新型負極材料中，硅基負極具有獨特的優勢和潛力。硅負極材料在充放電過程中，能與鋰形成Li12Si7、L?i13Si4、L?i7Si3、L?i15Si4、L?i22Si5等合金，具有高容量(Li22Si5，最高4200mAh/g)、脫嵌鋰的電壓低、與電解液反應活性低、安全性能好等優點。然而，硅在脫嵌鋰反應過程中會發生劇烈的體積膨脹(0～300％)，從而造成材料結構的破壞和粉化，致使容量迅速衰減，循環性能惡化。此外，硅負極還存在電導率低，倍率性能欠佳，庫倫效率較低等缺陷。

石墨烯作為一種新型的二維納米材料，是目前發現的唯一存在的二維自由態原子晶體。自2004年發現以來，石墨烯不僅在理論科學上受到了極大關注，并且由于其特殊的納米結構以及優異的物理化學性能而在電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等諸多領域展現出具有巨大的應用潛能，引起了科學界和產業界的高度關注。世界各國紛紛將石墨烯及其應用技術作為長期戰略發展方向，以期在由石墨烯引發的新一輪產業革命中占據主動和先機。

石墨烯目前也是世上最薄(0.335nm)卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，吸收率僅為2.3%，導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石等碳材料，石墨烯的電子導電性良好，常溫下其電子遷移率高于15000cm2/V·s?，而電阻率僅為10-6Ω·cm，為目前世上電阻率最小的材料。

石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。美國哥倫比亞大學的研究小組經過大量試驗，發現石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100??納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂。同時，石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。

目前，有效減緩硅作為負極材料容量快速衰減的方法一般是將活性材料與其它基體材料進行復合或者合成特定形貌的活性材料。而到目前為止，還沒有任何將氧化石墨烯與Si復合制備復合材料的技術，更沒有相關復合材料作為鋰電池負極材料的相關報道。

發明內容

針對現有的鋰離子電池材料存在的缺陷，本發明的目的是在于提供一種具有片狀形貌的納米硅均勻吸附在氧化石墨烯表面的結構，可用于制備具有高放電比容量、優異倍率性能和長循環壽命等特點的鋰離子電池的硅/氧化石墨烯負極復合材料。

本發明的另一個目的是在于提供一種工藝簡單、重復性好，成本低廉，環境友好的制備硅/氧化石墨烯負極復合材料的方法。

本發明提供了一種用于鋰離子電池的硅/氧化石墨烯負極復合材料，該復合材料由納米硅均勻吸附在氧化石墨烯表面構成。

優選的硅/氧化石墨烯負極復合材料中納米硅的質量占納米硅和氧化石墨烯總質量的5～10％。

優選的硅/氧化石墨烯負極復合材料中納米硅形貌為片狀，片層厚度為5～20nm。納米硅的形貌均勻，且厚度可以在適當的范圍內調控。

進一步優選的硅/氧化石墨烯負極復合材料中納米硅是通過球磨的方式吸附在氧化石墨烯表面得到。

優選的硅/氧化石墨烯負極復合材料比表面積為200～600m²/g。

本發明還提供了一種制備硅/氧化石墨烯負極復合材料的方法，該方法是將氧化石墨烯粉體和納米硅按一定比例，加入溶劑和分散劑，通過球磨，至納米硅完全分散，離心固液分離，干燥即得。