[發明專利]一種石墨烯量子點/納米硅鋰離子電池負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201610082027.9
• 申請日: 2016-02-05
• 公開（公告）號: CN105742586A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 李在均;孔麗娟;李瑞怡
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/0525;B82Y30/00
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技術領域

本發明一種石墨烯量子點/納米硅鋰離子電池負極材料的制備方法，屬于電化學技術領域。

背景技術

鋰離子電池因能量密度高、循環壽命長、環境友好、無記憶效應等顯著優點而廣泛應用于手機、相機、筆記本電腦等日用消費電子產品。隨著生活水平的提高和技術進步，人們對鋰離子電池性能提出了更高要求。例如，作為新電動汽車動力的鋰電池除了超高容量外，還應具備良好的動力特性和長的使用壽命。面對商品化石墨負極的較低容量和結構不穩定缺陷。近年，研究人員研發了系列新的碳基或非碳負極材料。硅被公認為最有可能成為下一代高性能鋰電池理想的負極材料。它的理論容量達到4200mAh/g，是石墨電極容量的十倍以上。然而，硅在充放電過程中會發生巨大的體積變化，電極材料易粉化脫落，導致電容量迅速衰減。此外，硅負極放電電位低，易與電解液發生副反應產生不穩定的SEI膜，造成硅和電解液大量消耗。因此，硅負極至今未實現商業化。

研究人員在提高硅負極電化學性能方面進行了大量嘗試，但從主要技術手段上可歸納為“納米化”、“合金化”和“復合化”。“納米化”是減少硅晶體尺寸至納米級，通過縮短充放電過程中鋰離子和電子擴散距離提高電化學反應活性。目前，納米硅已從零維的硅球發展到一維的硅線、二維的硅薄膜和三維的多孔硅。然而，納米硅不僅生產成本高，而且在反應中易團聚而發生“電化學燒結”。此外，納米硅大的比表面增加了它與電解液的接觸產生更多的SEI膜，導致電容量更大程度的衰減(Shu-LeiChou,Jia-ZhaoWang,MohammadChoucair,Hua-KunLiu,JohnA.StrideandShi-XueDou.Enhancedreversiblelithiumstorageinananosizesilicon/graphemecomposite.Electrochem.Commun,2010,12(2):303-306)。“合金化”是通過金屬與硅形成合金相，利用不同組分間的體積補償實現對硅負極巨大體積變化的有效緩沖。同時，金屬良好的導電性可明顯改善硅材料的傳導性。盡管硅合金化在一定程度上改善了電極的電化學性能，但合金組分自身也會出現粉化現象，因而循環性能并不理想(Jia-ZhaoWang,ChaoZhong,Shu-LeiChouandHun-KunLiu.Flexiblefree-standinggraphene-siliconcompositefilmforlithium-ionbatteries.Electrochem.Commun,2010,12(11):1467-1470)。“復合化”是通過硅與傳導性碳材料或其他傳導性材料的復合提高硅負極的傳導性和結構穩定性，從而改善其電化學性能。相對于納米化和合金化，復合方法較為簡便，且復合材料選擇廣泛，目前已發展成為硅負極主要的改性方法。石墨烯具有獨特的電學、磁學、機械和化學性能，是較為理想的碳基復合材料(JeongK.Lee,KurtB.Smith,CaryM.HaynerandHaroldH.Kung.Siliconnanoparticles-graphenepapercompositesforLiionbatteryanodes.Chem.Commun,2010,46(12):2025-2027)。然而，幾微米至幾十微米的石墨烯片涂覆于硅粒子表面不可避免地阻礙了鋰離子在硅粒子表面與電解液之間的擴散，從而導致比容量的大幅度下降。解決這一問題的方法主要是將二維的石墨烯片轉變成具有特殊空間結構的三維石墨烯(JianLin,ChenGuangZhang,ZhengYan,YuZhu,ZhiWeiPeng,RobertH.Hauge,DouglasNatelsonandJamesM.Tour.3-dimensionalgraphenecarbonnanotubecarpet-basedmicrosupercapacitorswithhighelectrochemicalperformance.Nano.Lett,2012,13(1):72-78)，或采用特殊的活化方法活化石墨烯。然而，石墨烯的三維化和活化往往需要多步反應或使用復雜工藝，不僅耗時、耗能，而且生產成本明顯增加，這不利于它的實際推廣應用。

經過廣泛的研究和反復的試驗發現，將石墨烯量子點與納米硅復合能夠得到一種性能優異的硅基鋰離子電池負極材料。研究表明，石墨烯量子點的引入提高了硅負極的電子/離子傳導性，復合物作為鋰離子電池負極材料具有顯著改善的比電容量、高倍率性能和循環穩定性，可廣泛用于各種大容量鋰離子電池。

發明內容