[發明專利]一種石墨/硅/石墨烯復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710195739.6
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106784755B
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 唐其偉;趙成龍;田海燕;于恒杰;田崇社;張朋
• 申請（專利權）人: 山東玉皇新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 張貴賓

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料領域，特別公開了一種石墨/硅/石墨烯復合材料及其制備方法。該石墨/硅/石墨烯復合材料，其特征在于：所述復合材料為三層夾心結構，由內到外依次為石墨、納米硅和石墨烯；三層結構的重量配比為，石墨80?90%、納米硅1?5%、石墨烯5?19%。本發明將石墨與石墨烯共同與硅進行復合制備處具有三層夾心結構的石墨/硅/石墨烯復合材料，納米硅被固定在石墨和石墨烯之間，以內層石墨作為骨架制成，外層石墨烯作為緩沖層，這一特殊結構的設計改善了硅材料在充放電過程中的體積效應，提高了材料的首次效率和循環性能。

（一）技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料領域，特別涉及一種石墨/硅/石墨烯復合材料及其制備方法。

（二）背景技術

鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜以及其他輔材構成，正、負極材料的比容量直接決定了電池的能量密度。石墨作為鋰離子電池負極材料時的理論比容量為372mAh/g，目前適用的商業化石墨已經超過360mAh/g，非常接近其理論值，已無明顯提升空間。想要進一步提升電池能量密度，必須采用新型負極材料。硅與金屬鋰形成合金時可以生成Li₂₂Si₅，此時材料的比容量可以達到4200mAh/g，遠高于市場上以石墨為主流的負極材料。在日益追求高能量密度的鋰電池市場，硅負極材料極具吸引力。然而，超過300%的體積膨脹會造成循環性能惡化，嚴重限制了該材料的發展和實際應用。

研究表明，將硅與石墨或石墨烯復合制備成硅/石墨或硅/石墨烯復合材料，可以緩沖硅嵌脫鋰時嚴重的體積變化，使整體電極的體積變化控制在合理的范圍內，在保持硅高容量的同時，提高其循環穩定性。例如，專利201110446233.0中通過鎂熱還原反應制備硅/石墨烯復合材料用于鋰離子電池負極，抑制了硅材料的體積，改善了復合材料的循環性能；專利201010561749.5制備了具有層狀三明治結構的硅/石墨烯復合材料，該復合材料具有良好的導電性、功率性能、電化學活性和循環穩定性；專利201410528065.3通過球磨、表面羥基化再用硅烷偶聯得到了硅/石墨復合材料，有效提高了所制備的負極材料的庫倫效率和循環穩定性。

（三）發明內容

本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種結構簡單、制備容易、產品性能好的石墨/硅/石墨烯復合材料及其制備方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種石墨/硅/石墨烯復合材料，其特征在于：所述復合材料為三層夾心結構，由內到外依次為石墨、納米硅和石墨烯；三層結構的重量配比為，石墨80-90%、納米硅1-5%、石墨烯5-19%。

硅與石墨烯復合是利用石墨烯的高機械強度、高電導性，硅與石墨復合則主要是利用石墨的緩沖作用和石墨本身具有的容量特性。因此，本發明在以上基礎上將石墨與石墨烯共同與硅進行復合，同時利用石墨與石墨烯的優勢對硅材料進行改性。

本發明的更優技術方案為：

所述石墨為天然石墨、人造石墨、石墨化的中間相炭微球中的一種或多種。

所述石墨的粒徑為5-100微米，納米硅的粒徑為2-100納米，石墨烯的粒徑為2-50微米。

所述的石墨/硅/石墨烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）將石墨烯粉末、分散劑加入到NMP溶液中，超聲振蕩使其分散均勻，得到石墨烯分散液；

（2）向混合機中依次加入納米硅、瀝青、石墨，在攪拌條件下加熱，得到石墨/硅復合材料；

（3）將石墨烯分散液與石墨/硅復合材料在混合機中繼續攪拌，取得的物料經干燥、煅燒、粉碎、分級，即可得到石墨/硅/石墨烯復合材料。

其優選的是：