[發(fā)明專利]一種石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料及其制備方法與在鋰離子電池中的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710625760.5
• 申請(qǐng)日: 2017-07-27
• 公開（公告）號(hào): CN107611365B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳松平;劉淳;田小東;黃明保;廖嬋;孫水晶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/52;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發(fā)明公開了一種石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料及其制備方法與在鋰離子電池中的應(yīng)用，屬于鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域。該制備方法為：先將可膨脹石墨與強(qiáng)氧化劑混合球磨處理，然后將處理過的可膨脹石墨、高鐵酸鉀、硅粉混合進(jìn)行球磨，最后過濾、洗滌、干燥得到石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料。本發(fā)明所得材料可用于鋰離子電池負(fù)極，具有較高比容量、長(zhǎng)周期循環(huán)性能較好以及優(yōu)異的倍率性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料及其制備方法與在鋰離子電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

當(dāng)前，由于能源問題和環(huán)境問題的日益突出，人們迫切需要一種很有前途的新能源。同時(shí)鋰離子電池具有高電壓、高能量密度、高安全性、低自放電率等的優(yōu)點(diǎn)，受到了人們極大的關(guān)注。在電動(dòng)汽車、太陽(yáng)能儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能電站、智能手機(jī)、手提電腦等應(yīng)用領(lǐng)域，需要鋰離子電池具備有高容量性、高倍率性、高穩(wěn)定性、高安全性和高的一致性，因此設(shè)計(jì)、合成具有高可逆容量、優(yōu)良的倍率性能、超長(zhǎng)的循環(huán)壽命和廉價(jià)的鋰電池負(fù)極材料是鋰離子電池的發(fā)展方向之一。硅具有理論容量約為4200mAh g^-1，為石墨負(fù)極材料(372mAh g^-1)的十一倍，相對(duì)低的工作電位(對(duì)鋰電位為0.5V)，儲(chǔ)存量大和環(huán)境友好的特點(diǎn)，使它成為未來最具潛力來取代石墨的材料。

但是，鋰和硅的電化學(xué)合金化反應(yīng)，導(dǎo)致在嵌鋰過程中，硅的體積膨脹高達(dá)300％，而且脫鋰過程中巨大的體積收縮產(chǎn)生的壓力會(huì)導(dǎo)致硅材料的破碎和粉化，最終引起電子接觸點(diǎn)的減少和容量的衰減；重復(fù)的體積膨脹和收縮也會(huì)導(dǎo)致硅材料表面無法形成穩(wěn)定SEI膜，從而出現(xiàn)低的庫(kù)倫效率和容量衰減。因此，抑制硅材料的體積膨脹是提高其電化學(xué)性能的重要手段。

本發(fā)明人工設(shè)計(jì)、合成了石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆硅納米顆粒以提高材料的電化學(xué)性能。本發(fā)明通過簡(jiǎn)單的球磨工藝，成功合成了石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆硅納米顆粒。當(dāng)用于鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，在200mA g^-1的電流密度下循環(huán)50圈后，材料能保持872mAh g^-1～1600mAh g^-1的可逆容量，在2A g^-1的電流密度下循環(huán)200圈，材料依然能保持600～801mAh g^-1的可逆容量。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、原料廉價(jià)易得、成本低、環(huán)境友好、效率高等優(yōu)勢(shì)，可以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明首要目的是提供一種石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料。

本發(fā)明另一目的是提供上述石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料的低成本、高效率、可大規(guī)模制備的方法。

本發(fā)明再一目的是提供上述石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料作為高性能鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料的制備方法，該方法為球磨法，具體包括以下步驟：

(1)稱取可膨脹石墨與強(qiáng)氧化劑，加入鋯球(磨介)，球磨，然后稀酸洗，過濾，干燥得到石墨烯納米片；

(2)稱取步驟(1)中石墨烯納米片、高鐵酸鉀、硅粉，加入鋯球(磨介)，球磨；

(3)然后將產(chǎn)物分離、過濾、洗滌、干燥得到了石墨烯和四氧化三鐵雙重包覆納米硅復(fù)合材料。

優(yōu)選的，步驟(1)所述強(qiáng)氧化劑為三價(jià)鈷鹽、過氧化物、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、氯酸鹽和高鐵酸鉀中的一種以上，所述稀酸為稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸和稀磷酸中的一種以上。

優(yōu)選的，步驟(2)所述硅粉為微米級(jí)硅和納米級(jí)硅中的一種以上。