[發明專利]石墨烯增強硅?碳復合材料及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201611158064.X
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106784765A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 吳孟強;李肖輝;鞏峰;秦金剛;汪東霞;劉文龍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙)51232
• 代理人: 敖歡,葛啟函

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料領域，具體是一種石墨烯增強硅-碳復合材料及其制備方法和用途。

背景技術

從300多年前伏打電堆的誕生之日起，電池便成為人類社會不可或缺的重要部分。隨著工業革命和科技引領世界時代的發展，能源短缺和日益增加的環境問題使人們迫切的需要尋找一種新的電池。20世紀90年代鋰離子電池的異軍突起，迅速在全世界范圍內刮起了一場鋰離子電池風暴，當時的鋰離子電池主要應用在手電筒、收音機、汽車和摩托車的啟動電源等，而現在鋰離子電池主要應用在電子手表、應急電源、導彈、潛艇、電動汽車等等。近年來，我國的經濟、科技、政治的巨大發展使我國在國際上享有的盛譽越來越多，使我國人民的生活水平完全進入小康標準。但這些發展背后產生的環境問題也實實在在的影響了人們的生活，山川河流空氣水質越來越差、氣溫越來越高、霧霾越來越嚴重。其中發展新能源電動汽車是解決這一問題的突破口，我國在2016年已有10省13市出臺了關于推廣新能源電動客車數量的政策，鋰離子電池作為電動汽車的動力電池，在電動汽車的發展當中起著舉足輕重的作用。

目前，商業化的鋰離子電池負極材料主要為石墨、硅等，其中石墨具有較低嵌/脫鋰電壓且儲量豐富、價格低廉，在相當長的一段時間里占據了鋰離子電池負極材料的主導地位。但由于石墨的理論比容量只有372mAhg^-1，已逐漸被具有超大理論比容量的硅所代替，單質硅的理論比容量可以達到4200mAhg^-1，但是單質硅作為鋰離子電池負極材料體積效應、電導率問題、SEI問題等限制了循環能力。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的之一在于提供一種石墨烯增強硅-碳復合材料。

為實現上述發明目的，本發明技術方案如下：

一種石墨烯增強硅-碳復合材料，包括：硅基底、硅基底上的中間碳層、中間碳層外面的石墨烯層。

本發明的目的之一在于提供一種所述的石墨烯增強硅-碳復合材料，所述硅基底為1-3um的微米硅、或50-100nm的納米硅、或多孔硅，所述多孔硅為孔洞大小為10nm～30nm的微米多孔硅或者孔洞大小為0.5nm～2nm的納米多孔硅。

如果原始硅粉尺寸比較大，可以通過球磨機球磨使粗硅的尺寸符合上述要求。

所述硅基底作為負極材料是已知的容量最高的負極材料，理論容量最高可達4200mAhg^-1，并且放電電壓平臺相對較低，是鋰離子電池負極材料的最優選擇。

作為優選方式，所述中間碳層的碳源選自葡萄糖、蔗糖、石墨、聚偏氟乙烯其中的一種。

本發明的目的之一在于提供一種所述的石墨烯增強硅-碳復合材料作為鋰離子電池負極材料的用途。

本發明的目的之一在于提供一種所述的石墨烯增強硅-碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取上述微米硅或納米硅或多孔硅的粉末進行預處理去除表面的氧化層后待用；

(2)將上述預處理后的硅粉和中間碳層的碳源加入去離子水混合攪拌，所述中間碳層的碳源與硅粉的質量比為(1:10)～(3:5)，然后烘干、搗碎、煅燒，得到內部為硅粉外部包覆中間碳層的粉末；

(3)將上述包覆中間碳層的粉末和氧化石墨烯加入去離子水混合，包覆中間碳層的粉末與氧化石墨烯的質量比為(5:1)-(20:1)，然后超聲攪拌混合均勻，倒入高壓反應釜中水熱反應、冷凍干燥，即得到石墨烯增強硅-碳復合材料。

作為優選方式，步驟(2)中的中間碳層的碳源與硅粉的質量比為1:5。實驗證明，這樣的比例做出的電池性能最佳。圖6為步驟(2)中間碳層的碳源與硅粉的質量比1：5時制備的硅粉外部包覆中間碳層的材料作為負極材料的充放電曲線示意圖。該質量比制備的硅粉外部包覆中間碳層的材料組裝的鋰離子電池首次放電比容量達到2454mAhg^-1，首次充電比容量為2132.6mAhg^-1，首圈庫倫效率達到了驚人的87％，十次充放電之后充電比容量在1200mAhg^-1。

作為優選方式，步驟(3)中包覆中間碳層的粉末與氧化石墨烯的質量比為10:1。實驗證明，這樣的比例做出的電池性能最佳。

作為優選方式，所述中間碳層的碳源若為葡萄糖，步驟(2)中煅燒時的溫度為600℃，煅燒時間為6h；若中間碳層的碳源為聚偏氟乙烯，步驟(2)中煅燒時的溫度為500℃，煅燒時間為4h。