[發明專利]一種鋰離子電池及其負極復合材料和制備方法

有效

• 申請號: 201610034453.5
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105489866B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 寇亮;田占元;邵樂;鄧增社
• 申請（專利權）人: 陜西煤業化工技術研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M10/0525
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種鋰離子電池及其負極復合材料和制備方法，包括氧化硅負載的石墨烯、納米硅、無定形碳，以及石墨，納米硅、氧化硅負載的石墨烯、石墨和無定形碳的質量比為1：(0.1～2)：(5～50)：(0.5～5)。本發明將納米硅、氧化硅負載的石墨烯分散在溶劑中，經過超聲、攪拌，待混合均勻后除去溶劑，在惰性氣體下經過高溫熱處理，得到納米硅/氧化硅負載的石墨烯復合物；再將復合物與石墨，有機碳源分散在溶劑中，再次經過超聲、攪拌，待混合均勻后除去溶劑，在次經過高溫熱處理，得到氧化硅/石墨烯基硅碳復合材料。本發明的制備方法簡單易行，生產出的復合材料作為鋰離子電池負極使用時具有高的比容量、庫倫效率、循環和倍率性能好。

【技術領域】

本發明屬于鋰電池電極技術領域，具體涉及一種鋰離子電池及其負極復合材料和制備方法。

【背景技術】

鋰離子電池以其比能量大、工作電壓高、自放電率小、體積小、重量輕等優勢早已占據3C領域大部分市場。目前商業化的鋰離子電池負極材料主要為石墨，但理論容量僅為372mAh·g-1，已逐漸不能滿足市場對高能量密度的需求。與傳統石墨負極相比，硅具有超高的理論比容量(4200mAh/g)和較低的嵌脫鋰電位(<0.5V)，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時難以引起表面析鋰，安全性能更好。但是，硅作為鋰離子電池負極材料時缺點也非常明顯。首先，硅是半導體材料，自身的電導率較低；其次，在電化學循環過程中，鋰離子的嵌入和脫出會使硅基材料體積發生300％以上的膨脹與收縮，由此產生的機械作用力會使硅基材料逐漸粉化，造成結構坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫離，喪失電接觸，進而使得鋰離子電池的循環性能大大降低。目前主要通過將硅顆粒納米化然后進行碳包覆的方法來提高硅基負極材料的循環性能，然而，制備出的硅碳復合負極材料循環性能仍然不能達到產業化應用的要求。

硅和氧化硅的混合物由于氧化硅可以緩和硅充放電時體積變化所產生的應力，所以與硅相比，循環性能更加優異。然而，由于硅和氧化硅的混合物缺乏導電性，對于電池而言，在高電流密度下放電容量顯著降低。因此，需要設計出一種新型的復合材料，使其同時滿足高循環性能和高倍率性能，才能使得硅基復合負極材料的應用取得大的突破。

【發明內容】

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種比容量高、庫倫效率高、循環性能好、倍率性能佳的鋰離子電池及其負極復合材料和制備方法。

本發明采用以下技術方案：

一種鋰離子電池負極復合材料，包括氧化硅負載的石墨烯、納米硅、無定形碳，以及石墨，納米硅、氧化硅負載的石墨烯、石墨和無定形碳的質量比為1：(0.1～2)：(5～50)：(0.5～5)。

進一步地，納米硅尺寸為10～200nm。

進一步地，氧化硅負載的石墨烯由正硅酸乙酯水解后原位負載到氧化石墨烯上獲得。

進一步地，無定型碳主要是有機碳源經過高溫熱解后得到。

一種鋰離子電池負極復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將納米硅、氧化硅負載的石墨烯分散在溶劑中，經過超聲、攪拌，待混合均勻后除去溶劑，然后在氮氣和/或氬氣環境下以2～10℃/min的升溫速度升到600℃～1000℃后保持0.5～24h，得到納米硅/氧化硅負載的石墨烯復合物；

2)將步驟1)得到的復合物與石墨，有機碳源分散在溶劑中，再次經過超聲、攪拌，待混合均勻后除去溶劑，然后在氮氣和/或氬氣環境下以2～10℃/min的升溫速度升到600℃～1000℃后保持0.5～24h，得到氧化硅/石墨烯基硅碳復合材料。

進一步地，溶劑包括水、乙醇、甲醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、NN-二甲基甲酰胺中的一種或多種。

進一步地，除去溶劑的方式為加熱攪拌蒸干、噴霧干燥、旋轉蒸發中的一種。